AuRoFUSETM接合技术实现的未来

电子化合物与纳米粒子半导体接合与密封

2020/03/05

采用金纳米浆料半导体封装技术
低温熔合和高可靠性确保了LED照明、功率器件和MEMS的稳定性。

研究人员和开发人员

小林利德
田中贵金属工业
金属材料开发部

与传统的银浆材料不同，金纳米颗粒浆料的可靠性更高。由于它们可以在200°C下无压加工，因此无铅，且运行成本低。此外，由于金纳米颗粒彼此直接连接，其导热系数高于使用银浆熔融的银，从而更容易散热。人们通常认为黄金价格昂贵，但如果将工作效率、制造设备成本、高可靠性（长寿命）带来的更换成本以及高性能（高功率器件输出）等整体优势转化为成本，实际上可能会降低系统成本。

田中贵金属工业株式会社开发了一种名为“AuRoFUSE”的新型金纳米颗粒浆料，并计划将其应用于半导体封装技术。由于其具有高粘附性和高加工效率，预计可用于功率器件的芯片键合以及晶圆级封装（WLP）中的晶圆密封。
黄金在自然界中极其稳定，早在1000年前就被用于建造神社、寺庙和文化遗产。在半导体和电子领域，黄金同样发挥着重要作用；例如，智能手机和移动电话的印刷回路基板用量巨大，以至于人们常常戏称它们为“都市矿山”。这是因为黄金具有独特的性质，例如不会生锈或腐蚀。电子回路生锈后，电阻会增加，任何意外的金属生长都可能导致短路。在实际使用过程中，反复暴露于高低温环境会导致电路板开裂和剥落。然而，黄金不像其他金属那样会随时间发生变化，能够保持多年稳定。
与此同时，在电子回路领域，无铅已投入实际应用，无需使用有害的含铅焊料即可将金属连接在一起。然而，它的局限性在于加工温度必须比传统含铅焊料高出30至40摄氏度。这使得生产设备成本高昂，生产工艺也较为复杂。金属连接领域的主要目标之一，就是在接近含铅焊料加工温度的条件下实现无铅连接。

可在200℃下粘结的金浆料

田中贵金属的AuRoFUSE是一种可在200°C下进行键合的金浆料，其键合温度低于铅焊料（图1）。该金浆料采用粒径为200至400纳米的纳米颗粒，该公司声称这是半导体芯片封装的最佳粒径。如果颗粒尺寸小于此值，纳米颗粒在150°C左右就会发生颈缩现象，导致金膏难以操作。如果颗粒尺寸大于1微米，熔点将达到400°C，同样难以使用。

传统的金浆料由溶解在有机溶剂中的金颗粒组成，但其中也含有分散剂以调节浆料的粘度。高粘度的浆料难以使用，而粘度适中（不如液体粘稠）的膏体则最易于加工。
这款AuRoFUSE的粒径控制在200-400nm，仅以界面活性剂作为溶剂。这意味着其粘度易于调节，且粘度适中，使用方便。其基本原理是，表面活性剂恰好覆盖在金颗粒表面，加热至100℃或以上时即可轻松剥离。金颗粒与界面活性剂之间仅存在物理结合，不存在化学键合。因此，加热后界面活性剂即可轻松剥离。
与金锡共晶焊料（一种无铅）相比，AuRoFUSE 的电阻率更低，仅为 5.4µΩcm (25°C)，是其五分之一；其导热系数更高，超过 150W/mK，是金锡共晶焊料的三倍（表 1）。这意味着它更易于热传导和导电。此外，其杨氏模量也较低，仅为 9.5GPa，是金锡共晶焊料的六分之一，表明它是一种软性材料。软性材料还具有吸收应力的优势。与金锡共晶材料相比，当像过去那样用作硅的接触材料时，Au 电极形成在 Ti 底层阻挡金属和 Pt 或 TiW 阻挡金属之上。

使用这种金纳米浆料进行芯片键合时，首先在半导体芯片或基板上形成Au/Pd/Ni金属层，同时考虑基板粘附性和热膨胀系数匹配等因素。然后使用点胶器将AuRoFUSE涂覆到Au/Pd/Ni金属层上所需的安装位置（图2）。之后，通过加压和热处理将两者键合。键合时间约为20分钟，温度为200-230°C。键合完成后，进行1-3小时的后烧结处理，以稳定键合区域。

这种金纳米浆料的潜在应用包括汽车前灯中使用的 LED 前灯和激光前灯（参考文献 1）、激光投影仪和 GaN 功率器件。

注意散热

在 LED 照明中，大量的 LED 排成一排来点亮 LED，但在 LED 照明中，蓝色的 LED 涂上了黄色的荧光粉，使其成为蓝+黄的白色。图 3 显示了一盏 LED 灯，灯内共安装了 24 个 LED 芯片，其中 12 对 LED 芯片由两个 LED 芯片串联而成，12 对 LED 芯片则并联安装。在这里，芯片面朝下安装在铝板上，基板。基板在面朝下的接合垫下，LED 与铝基板之间用绝缘片进行电绝缘，但在铝基板和接合垫之间必须放置导热性能良好的材料，以便只允许热量散发。LED 的设计是通过 LED 的 n 极和 p 极向外释放热量。

对八个采用这种结构的LED模块进行了开关测试（24V，350mA，静置15分钟）。制作了三种焊盘原型：金浆料、金锡焊料和锡银铜焊料，每种各八个进行测试。所有金锡焊料模块在500次循环后失效，1000次循环后仅有三个锡银铜焊料模块存活。它们能够承受3000次循环，但4000次循环后仅有两个存活，5000次循环后全部失效。然而，即使经过15000次循环，所有金浆料电极均未失效。
对于激光二极管，芯片侧的基板侧依次设置AuZn层、Ti层和Au层作为电极层，并在铜基板上形成Au膜，然后使用AuRoFUSE金浆料将各Au层键合在一起。由于键合部分为Au-Au键合，不存在电位差，因此无需担心可靠性问题。通过在200℃或更高的温度下进行键合和烧结，金浆料中的溶剂挥发，仅留下纯金进行键合，从而形成非常稳定的金-金键合。
氮化镓（GaN）器件之所以被认为有潜力成为发热功率器件，是因为它们是水平方向导电的器件。如果使用银（Ag）进行芯片键合，与金（Au）键合丝之间的电位差会导致银迁移，进而引发枝晶生长和端子间短路。因此，金-金键合是更优的选择。然而，由于碳化硅（SiC）晶体管是垂直方向导电的器件，即使使用银作为芯片键合材料时发生迁移，短路的风险也很小。因此，在碳化硅器件中使用金的动力并不强。

WLP软件包的应用

AuRoFUSE的另一应用是作为WLP封装的真空密封剂。在批量生产形成薄膜并测量其电容和压阻的传感器（例如MEMS器件）时，MEMS芯片会被密封在成型树脂内。
未来，晶圆级封装（WLP）技术将助力开发更小巧、更耐腐蚀的封装，从而实现植入式传感器在生物体内的应用。将一层盖晶圆放置在器件晶圆上方进行密封，如果晶圆周围用金进行密封，即使在生物体内也不会发生腐蚀。
在印刷金图案时，图案之外的金材料会被浪费掉。因此田中贵金属正在开发一种新技术，即利用光刻技术在转移晶片上形成图案，然后将转移晶片转移到器件晶片上的金图案上。转移晶片可以多次重复使用，从而避免金材料的浪费。

将金图案作为封装用框架使用时，即使基底的表面有些粗糙，也可以沿着其表面进行追踪，不会产生缝隙，这也是其优点。金通过烧结沿基底变形。图4是通过在200°C、100MPa下热压接金，停止气密封时的图案 (图4右) 和截面图 (图4左) 。该方法还具有能够同时形成气密封的金框架和电极的金连接的优点，因此将来能够容易地集成基于TSV (通过硅通孔) 的三维IC和MEMS。