有壓燒結銀材料如何筑牢第三代半導體互連可靠性？

Part 1

第三代半導體發展對互連材料的新要求

 

(作者 /  羅金濤)以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代寬禁帶半導體材料，以及系統層面的銀燒結工藝的應用，顯著提升器件的工作頻率、效率和功率密度。同時，其在芯片與基板之間，以及模塊和散熱器的互連材料，成為決定整個系統可靠性的關鍵環節。

 

傳統的錫鉛焊料或無鉛焊料，其熱導率普遍低于60 W/(m·K)，在高溫環境下易發生蠕變、空洞聚集和界面金屬間化合物（IMC）過度生長，嚴重影響長期服役可靠性。

 

燒結銀膏作為一種高可靠性互連解決方案，通過亞微米銀顆粒在低于銀熔點的溫度下發生固態擴散，形成多孔但致密的銀連接層。不僅具備接近純銀的熱導率（200-300 W/(m·K)），而且擁有高達961℃的等效熔點，能夠在200℃以上的高溫環境中長期穩定工作。

 

因此，燒結銀膏成為第三代半導體應用領域補齊水桶短板的關鍵技術。

 

 

Part 2

燒結銀膏的基本原理與分類

 

燒結是粉末材料在低于其熔點的溫度下，通過原子擴散形成致密體的過程。燒結銀膏的燒結機制主要為表面擴散和晶界擴散 。根據燒結時是否需要外部施加壓力，燒結銀膏主要分為兩大類：有壓燒結銀膏和無壓燒結銀膏。

 

Part 3

有壓燒結銀膏的典型工藝流程，印刷質量判斷與常見問題

 

目前，有壓燒結典型應用流程為：銀膏印刷→烘干→芯片熱帖→有壓燒結，四個步驟。

 

其中印刷作為重要環節之一，印刷質量的核心指標包括：表面平整度、邊緣一致性、無麻點或凹陷，以及“狗耳朵”（dog-ear）現象的控制。“狗耳朵”指銀膏在印刷收刀端，因脫模不暢形成的局部堆積（如圖2）。實際應用中，常出現麻點、凹痕、“狗耳朵”偏高等問題，需從設計、設備、材料等多方面進行系統性優化。

 

圖1

 

典型芯片級產品的印刷形貌如圖2和3所示。由于銀膏特別的流變性，在印刷收刀端易因脫模困難形成局部堆積，即“狗耳朵”現象。該現象具有可重復性，不隨印刷次數或方向改變而消除。

 

以100 μm鋼網為例，“狗耳朵”高度（Hd）通?？刂圃?0 μm以內；而印刷起始端則可能出現輕微坡度。實際測量中，銀膏厚度（T）應取“平坦區域“的平均值，避免取邊緣高點或低點，以確保數據代表性。對于100 μm鋼網，典型印刷厚度（T）為70–90 μm。

圖2

 

圖3

 

Part 4

影響銀膏印刷質量的五大關鍵因素

 

影響銀膏印刷質量的關鍵要素，通常包括：產品設計，印刷機設備精度，鋼網&刮刀，印刷參數，以及銀膏材料。

 

4.1 產品設計

產品設計直接影響印刷過程中的鋼網貼合與支撐穩定性：

• 芯片布局密度

芯片間距過?。ㄈ缧∮? mm）會導致鋼網“過橋”區域過窄，降低鋼網局部剛性，影響與基板的貼合，增加溢膠風險。

• 邊緣與溝槽距離

當芯片靠近基板邊緣或存在深溝槽結構時，局部支撐不足，鋼網易變形，導致貼合不均，引發銀膏溢出、厚度不均等問題。在一些案例中，我們對比了不同產品，在同樣的設備及工藝條件下，其印刷質量卻非常不同，如圖4。

• 芯片尺寸

最顯著的差異是，大尺寸芯片工藝中，“狗耳朵”影響相對較小，而在系統級燒結工藝中幾乎可忽略。小尺寸芯片工藝中，“狗耳朵”相對尺寸更大，影響也相對更大，如圖4。

圖4

 

4.2 印刷設備精度

是保障高質量印刷的前提，主要包括：

• 鋼網與基板的平行度：必須精確調整，確保兩者在整個印刷區域內均勻接觸。

• 頂升高度控制：理想狀態是鋼網與基板“剛好接觸”，既不過高（導致鋼網鼓起，形似“蒙古包”），也不過低（形成間隙，引發漏印或厚度不均）。

在一些案例中，我們看到經過良好設備校準的印刷設備，呈現出明顯更好的印刷質量。

需特別強調：銀膏與錫膏在物理特性上存在本質差異。銀膏粘度更低、銀顆粒更細（通常為亞微米級）、不具備流變恢復能力。因此，不能直接套用錫膏的印刷經驗，否則極易導致溢膠、厚度失控等問題。

 圖5

 

4.3 鋼網&刮刀

• 鋼網

鋼網厚度：直接影響銀膏涂覆量。  

  - 芯片級燒結：推薦80–120 μm  

  - 系統級大面積燒結：推薦350–500 μm  

過厚易造成貼片時銀膏溢出；過薄則影響熱傳導與機械強度及可靠性。

階梯鋼網：推薦階梯鋼網的開口設計，將對抑制“狗耳朵”以及改善印刷成型有顯著效果。

疏水性納米涂層：在鋼網表面施加疏水性納米涂層，可顯著降低膏體粘附，提高脫模性和印刷一致性。賀利氏mAgic系列銀膏在使用這種涂層鋼網的情況下，可實現最高8小時的連續印刷。

鋼網張力：>35 N/cm，確保印刷過程中無變形或偏移。

 

•  刮刀

不同于錫膏印刷，銀膏印刷在刮刀的選型上，需要注意盡量減少刮刀片在印刷中的變形。

 

4.4 印刷參數

關于推薦的印刷參數設置：

印刷壓力：結合前文分析，低壓力搭配適當的印刷刮刀，有助于控制“狗耳朵”與厚度均勻性。

印刷速度：較低速度有利于銀膏充分填充網孔，提升表面平整度，并減少“狗耳朵”形成。

印刷模式：推薦采用“往復印刷（雙向往返）“，相比單次印刷，能顯著提高邊角填充效果和整體一致性。

 

4.5 銀膏材料

銀膏材料本身的性能是決定印刷質量的根本因素之一。高性能銀膏需具備良好的印刷性、批次穩定性與燒結一致性。這些特性依賴于原材料選擇與精密生產工藝。國際領先廠商憑借成熟的技術積累、廣泛的行業驗證和強大的技術支持體系，往往能夠為客戶提供從研發到量產的全流程保障。

 

以“粘度“為例，其在印刷操作性方面，對溢膠及印刷表面平整度產生影響，也在一定程度上影響到燒結后的強度。

- 粘度過低：易導致溢膠問題；

- 粘度過高：可能造成表面不平整或填充不足問題；

- 但在燒結后機械強度表現方面，較高粘度，又有一定程度的提升。

因此，應綜合評估粘度對“印刷性“與”最終性能“的影響，平衡各方面優劣得失（如圖5），選擇最適配各自具體產品的材料。

例如，賀利氏（Heraeus）基于大量應用數據，建立了精準的材料性能指標體系，可為用戶提供成熟的產品選型與工藝建議。

 

 

圖6

 

Part 5

展望

 

綜上所述，燒結銀膏的印刷工藝是功率模塊封裝中的關鍵環節。通過優化鋼網設計、印刷參數及銀膏材料性能，可實現高可靠性互連，滿足第三代半導體對高功率密度與高溫穩定性的嚴苛要求。

 

圖片來源  /   豆包

 

德國賀利氏電子（Heraeus Electronics）作為全球領先的電子材料供應商，其mAgic系列燒結銀膏在行業中享有盛譽，代表了當前燒結銀技術的先進水平。該系列產品專為功率模塊封裝設計，支持有壓與無壓燒結工藝，具備優異的熱導率、機械強度與工藝適應性。

 

mAgic系列針對不同應用場景提供完整解決方案：

• 芯片級燒結產品

-mAgic PE043：適用于金、銀界面的芯片級燒結，廣泛用于Si、SiC、GaN器件。

-mAgic PE338：兼容金、銀、銅等多種界面，適用性更廣。

該系列產品支持多種涂敷方式（鋼網印刷、絲網印刷、點膠），已在國內外眾多領先客戶中實現量產應用，是經過充分市場驗證的成熟方案。

• 系統級大面積燒結產品

-mAgic PE360、PE350：專為系統級大面積燒結設計，適用于功率模塊與散熱器或基板之間的連接。

其可顯著降低系統熱阻，突破散熱瓶頸，是高功率密度、高熱負荷應用的理想解決方案。

---

*聲明：本文系原作者創作。文章內容系其個人觀點，我方轉載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認同，如有異議，請聯系后臺。