第三代半導(dǎo)體低溫?zé)Y(jié)納米銀膏技術(shù)匯總

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第3代半導(dǎo)體材料，是繼以硅（Si）基半導(dǎo)體為代表的第1代半導(dǎo)體材料和以砷化鎵（GaAs）和銻化銦(InSb)為代表的第2代半導(dǎo)體材料之后，在近些年發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體材料。與Si相比，GaN和SiC均具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的載流子遷移率等特點(diǎn)，更適合當(dāng)前對(duì)高功率、高溫、高能效以及輕便小型化的需求。第3代半導(dǎo)體憑借其優(yōu)異屬性，在國(guó)內(nèi)外得到了強(qiáng)烈關(guān)注，正在迅速崛起，應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力巨大。

互連材料是連接半導(dǎo)體晶體管和元器件的關(guān)鍵材料，起著導(dǎo)電和導(dǎo)熱的作用，影響著元器件電路導(dǎo)通、功能實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定性。由于第3代半導(dǎo)體器件工作環(huán)境較Si半導(dǎo)體更為惡劣，其器件封裝和互連也較傳統(tǒng)Si器件提出更高的要求。本文主要介紹可用于第3代半導(dǎo)體器件的互連材料。

一、第3代半導(dǎo)體材料

第3代半導(dǎo)體材料主要包括SiC、GaN、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)，這些材料禁帶寬度均＞2.2ev，被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，亦被稱為高溫半導(dǎo)體材料。目前，從第3代半導(dǎo)體材料和器件的研究進(jìn)展來看，較為成熟的是SiC和GaN半導(dǎo)體材料，人們對(duì)ZnO、金剛石和AlN等寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究較少，尚屬起步階段。

表1列出了半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵性能對(duì)比。可以看出SiC熱傳導(dǎo)率是傳統(tǒng)的Si、GaAs半導(dǎo)體材料的3～13倍，使得SiC器件可以在高溫下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；SiC和GaN的臨界擊穿電場(chǎng)是傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的4～20倍，且具有更大的載流子飽和速率，在高功率電子器件方面有著巨大的性能優(yōu)勢(shì)。

二、納米銀膏

燒結(jié)技術(shù)通過高溫使材料表面原子互相擴(kuò)散，從而形成致密晶體的過程，是20世紀(jì)90年代初Schwarzbauer等人基于燒結(jié)理論發(fā)明的一種連接方法，被稱之為低溫?zé)Y(jié)技術(shù)（LTJT）。通常通過減小燒結(jié)顆粒的尺寸，可降低燒結(jié)溫度。

納米銀粉由于其獨(dú)特的納米特性，為半導(dǎo)體芯片的封裝提供了另一個(gè)嶄新的思路。銀的熔點(diǎn)是961℃，而當(dāng)顆粒尺寸到納米級(jí)別，其熔點(diǎn)會(huì)顯著降低，至100℃左右，因此可通過低溫?zé)Y(jié)實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品或芯片的互聯(lián)，而燒結(jié)后的燒結(jié)層熔點(diǎn)又恢復(fù)到銀的常規(guī)熔點(diǎn)，可滿足電子產(chǎn)品在高溫下正常使用，并且銀具有優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)電性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是第3代半導(dǎo)體封裝較具應(yīng)用前景的互連材料。

近些年，國(guó)內(nèi)外研究人員展開了對(duì)銀納米膏的制備、燒結(jié)工藝及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能進(jìn)行了大量分析評(píng)估。Moon[10]等的研究發(fā)現(xiàn)，20nm銀粒子在150℃即可表現(xiàn)出明顯的燒結(jié)行為，300℃下燒結(jié)可得到多孔優(yōu)質(zhì)銀膜。Akada等對(duì)燒結(jié)溫度和燒結(jié)氣氛對(duì)燒結(jié)接頭強(qiáng)度的影響做了研究。在國(guó)內(nèi)，天津大學(xué)較早開展了銀納米膏低溫?zé)Y(jié)技術(shù)的研究。并發(fā)明了一種新型低溫?zé)Y(jié)納米銀技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多種具有雙面散熱能力的無(wú)引線封裝工。清華大學(xué)閆劍鋒等人對(duì)銀納米膏的燒結(jié)性能進(jìn)行了研究，表明200℃條件下燒結(jié)30分鐘，銀燒結(jié)層為聯(lián)通多孔結(jié)構(gòu)，高于250℃時(shí)銀顆粒出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)大現(xiàn)象，如圖2所示。天津大學(xué)楊呈祥等人開展了銀納米膏在大功率模塊的性能研究，與SnAg3.0Cu0.5和導(dǎo)電膠2種連接材料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明銀納米膏封裝的大功率LED模塊光電性能優(yōu)異，且具有較強(qiáng)的長(zhǎng)期可靠性。

銅納米膏由于其優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和較低的成本也受到了廣泛關(guān)注，然而由于銅容易在空氣中被氧化，若想將納米銅顆粒用于半導(dǎo)體功率器件互連中，面臨一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn)。僅有美國(guó)Lockheed Martin公司，英國(guó)Intrinsiq公司開發(fā)出了具有有機(jī)物包覆層的納米銅導(dǎo)電膏體。新加坡南陽(yáng)理工大學(xué)C. S. Tan課題組使用美國(guó)Lockheed Martin公司的納米銅膏進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)的研究，通過表面去氧化處理，摻雜微米銅顆粒等方法提高燒結(jié)結(jié)果。清華大學(xué)張穎川等人研究了銀銅混合納米膏的燒結(jié)特性，結(jié)果表明，制得的納米銀+納米銅混合焊膏具有良好的防氧化特性。

       當(dāng)然，以上都是研究機(jī)構(gòu)或者國(guó)外的一些文獻(xiàn)和公司，正真的批量化生產(chǎn)和供貨以及售后服務(wù)都會(huì)存在很大的問題。善仁新材料科技有限公司作為國(guó)內(nèi)研究納米銀應(yīng)用的專業(yè)公司，在納米銀應(yīng)用方面有著豐富的研發(fā)，生產(chǎn)和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，公司生產(chǎn)的納米銀墨水，納米銀膠，納米銀漿和納米銀膏具有廣泛的客戶使用基礎(chǔ)，產(chǎn)品主要應(yīng)用在精細(xì)線路制作，金屬網(wǎng)格，太陽(yáng)能電池，LED封裝，第三代半導(dǎo)體等領(lǐng)域，產(chǎn)品得到客戶的一致**。

納米膏由于可以實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)高溫使用，為第3代半導(dǎo)體連接材料提供了一個(gè)嶄新的思路，但在產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模使用上還有很長(zhǎng)的路要走，比如燒結(jié)焊層的孔隙率、與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度、載體殘留等問題還需亟待解決。

三、展望

第3代半導(dǎo)體材料由于具有非常顯著的性能優(yōu)勢(shì)和巨大的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用，受到了世界各國(guó)的高度重視，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都把發(fā)展第3代半導(dǎo)體技術(shù)列入國(guó)家戰(zhàn)略。我國(guó)也將第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)納入戰(zhàn)略發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，2013年科技部在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)新材料技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目征集指南中，也特別指出了要將第3代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用列入重要研究?jī)?nèi)容。2015年，第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）的成立，為我國(guó)第3代半導(dǎo)體的發(fā)展建立了研發(fā)和交流平臺(tái)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料及器件研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

第三代半導(dǎo)體材料是近年來迅速發(fā)展起來的以GaN、SiC和ZnO為代表的新型半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大，擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，可望成為支撐信息、能源、交通、國(guó)防等發(fā)展的重點(diǎn)新材料，正在成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。