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摘要：纳米银焊膏作为新一代的封装材料，具有低温烧结，高温服役特性，其烧结后形成的互连层结构具有独特的耐高温性能，高热导率能力，适用于SiC功率器件对封装的要求。因此，对烧结纳米银层的形成机理、烧结工艺、力学研究、本构模型的研究具有重要的价值，本文将针对该问题进行研究。
Abstract： As a new generation of packaging materials， nano-silver solder paste has the characteristics of low-temperature sintering and high-temperature service. The interconnection layer structure formed after sintering has unique high-temperature resistance and high thermal conductivity， which is suitable for the packaging requirements of SiC power devices. Therefore， it is of great value to study the formation mechanism， sintering process， mechanical research and constitutive model of the sintered nano silver layer.
关键词：SiC;纳米银;烧结;本构模型
Key words： SiC;nano silver;sintering;constitutive model
中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0046-03
0 引言
IGBT功率器件被广泛用于新能源电车、车载逆变器上，做主要的控制元器件，而以SiC为代表的第三代半导体材料所制成的功率器件能够承受500℃左右甚至更高的温度，比Si小近千倍的导通电阻，多20倍左右的开关频率等性[1]。由于现有封装技术的限制，特别是芯片与基板的互连技术，例如银浆、聚合物材料，软钎焊等互连技术由于焊料合金的低熔点、环氧树脂的低温分解等原因，使其不能在高温环境下可靠工作，导致限制电力电子系统性能和可靠性的瓶颈从半导体芯片转移到了封装技术上来[2]。
近年来以烧结纳米银技术为代表的低温连接技术是目前功率器件朝耐高温、高可靠性应用发展的主要趋势，其基本原理是利用纳米尺度下金属颗粒的高表面能、低熔点特性来实现芯片与基板的低温低压烧结互连。形成的纳米银互连层具有优良的电、热性能，可承受710℃的最高工作温度，而且其厚度相比传统的钎焊接头要薄50～80%，是实现SiC功率器件封装的理想互连结构[3]。
1 国内外研究现状
1.1 烧结纳米银互连结构成型原理及微观结构
纳米颗粒具有独特的性能，其比表面积小并且表面曲率半径小，这种特性赋予了它具有比常规的粉体更低的熔点和焊接温度。纳米银而言，在粒径尺度在10nm以下时，它的烧结温度能降低到100℃以下，比块状时候的熔点的961℃低了800℃以上[4]。与块状银微观结构不同是，纳米银互连层是属于多孔材料，即在其内部分布有众多的微孔隙，微孔隙的尺寸位于亞微米至微米范围间。
1.2 烧结纳米银互连层的制作工艺
其工艺主要包括：
①在覆铜（Cu）基板上涂覆或者丝网印刷纳米银焊膏，将芯片放置在纳米焊膏上;
②进行预加热干燥，用于排除焊膏中的有机气体等挥发物，然后在高温下进行无压或压力辅助烧结，主要烧结工艺参数有升温速率、烧结温度、烧结压强、烧结时间和气体环境等;
③烧结完成后形成SiC-Cu基板纳米银互连层。可以看到，纳米银烧结互连层是碳化硅功率器件封装的关键结构单元，属于薄层结构，其厚度范围一般为20～50μm[5]。SiC芯片和Cu基板表面可以通过镀银、金或镍等烧结工艺提升其互连层的连接强度。
1.3 烧结纳米银互连层的工艺改进
Zhiye Zhang[6]比较了压力辅助烧结微米尺度的焊膏和无外加压力烧结纳米焊膏，并通过实验发现纳米尺度下的银具有比微米尺度下更高的烧结驱动力，避免了压力烧结下对芯片和基板中造成缺陷和裂纹等现象，并发现了烧结温度和烧结压强的增加会降低烧结银的孔隙大小。为探究烧结纳米银中孔隙与颗粒间的竞争关系，S. Zabihzadeh等人[7]对此进行研究，发现烧结过程中粒径发生塑性变形，并在两种不同烧结条件下对其孔隙图进行研究。得到低温低压下的烧结的变形和恢复主要受孔隙控制，而高压/温下的变形主要受颗粒的内部机制影响。
Chuantong Chen[8]通过电镀工艺和溅射工艺对烧结工艺进行改进，发现以溅射方式烧结后形成的纳米银互连层的结合强度可达40MPa。
Qi等[9]从工业现象中发现较大面积的互连会导致较差的互连质量，其原因是增加的互连面积阻止了有机成分被燃尽，会导致更高的的孔隙率，对这种现象的解决方法提出两个策略，其一为改变芯片尺寸，最好控制在3×3 mm2，其二是在烧结焊膏中添加“助燃剂”。之后，Chen等[10]通过控制温度、压强、烧结时间研究出了三种烧结方法，在针对10×10mm2的大面积连接时，既降低了烧结温度，又将烧结后的剪切强度提升至50MPa左右。 此外Yamakawa T等人[11]在實验中发现，处于真空环境下的烧结方式，比在空气环境下的纳米银烧结层的孔隙率低。
Yuan Li[12]等人研究了超声振动对无压烧结纳米银互连层和力学性能的影响，发现在烧结工艺中引入超声振动能够提高烧结银尺寸和密度，并发现其在处理烧结不充分的边缘地方，能减小过度区，提高纳米银互连层的连接强度。
Y Mei等人[13]等人通过引用脉冲电流影响烧结工艺，能够在3分钟的快速烧结中，得到剪切强度为30-35MPa的工艺方法。
1.4 烧结纳米银互连层的孔隙研究
Yansong Tan[14]等人统计了在不同时间和温度下孔隙率情况。发现孔隙的大致范围在26.8%左右。除此之外，将孔隙的大小分为3个水平，结果表明，烧结时主要由小孔和中孔组成，发现在275℃和350℃老化过程中，试样的孔径增大这些孔隙的数量同时减少。在125～225℃老化后，孔隙分布趋势相似，孔隙形状因子均匀分布，变化不明显。在275℃和350℃老化条件下，孔径随老化温度和老化时间的增加而增大，与此同时，孔隙出现聚集现象，不规则孔隙形状的出现频率随时效温度和时间的增加而增加。
1.5 烧结纳米银导热率及孔隙关系
Chuantong Chen等人[15]利用聚焦离子束切割横截面，基于积分几何形态图像，统计并分析得到多孔银的孔隙率为33.4%，并逆向还原了其三维孔隙模型图，其中因工艺而生成的致密抛光层，其厚度为2μm，其CTE与致密Ag相同即为18.9μm/（m·K）。并研究发现当纳米银互连结构从25℃升高到250℃时，多孔的Ag的CTE会由17.5μm/（m·K）变为23.2μm/（m·K）。
胡元坤等[16]通过Abaqus创建了烧结纳米银的孔隙模型，并在不同的预置裂纹下，研究了孔隙对于热传导性能的影响。发现了烧结纳米银热流密度分布不均匀，有孔隙的地方会使得周围的热流密度变低，并且随着孔隙率的增加，等效热导率依次减少。
1.6 烧结纳米银互连层的蠕变性能研究及蠕变本构
李欣[17]对烧结纳米银互连层进行恒定载荷的蠕变实验，将蠕变过程分为瞬态、稳态和加速断裂三个阶段，并结合空穴移动、应变硬化、损伤弱化、损伤耦合对蠕变过程三阶段解释。蠕变试验中，第二阶段占据接头蠕变断裂寿命的绝大部分，因此一般采用稳态蠕变速率■c来表示材料的蠕变性能。根据接头蠕变断裂寿命的绝大部分通过实验发现蠕变应力指数以及激活能分别与环境温度和加载应力的关系，得到修正后的关于Arrhenius幂率蠕变本构模型，经与试验对比发现其能较好模拟蠕变实验结果。
1.7 烧结纳米银互连层的寿命预测
李欣[17]基于蠕变应变率对烧结纳米银疲劳寿命进行研究，利用Monkman-Grant公式对烧结纳米银互连层蠕变寿命进行预测。通过与烧结银互连层的实验结果的对比，得到烧结纳米银接头的材料常数，进而对低温烧结纳米银互连层的蠕变下的寿命进行预测。
齐昆[18]基于Basquin提出的应力疲劳寿命预测模型对烧结纳米银互连层进行研究。通过剪切疲劳试验数据，利用拟合及Basquin基于应力的预测模型，得到了烧结纳米银互连层的疲劳预测式所对应的预测公式。
2 结束与展望
本文通过对烧结纳米银互连层的形成原理、工艺、烧结后的微观形态及热、力学性能、蠕变本构及寿命预测等方面进行了简要综述。就目前看来，烧结纳米银的研究主要集中在其制备工艺上，多数研究者通过实验的方法对结果进行研究，而利用数值优化方法进行研究的几乎没有。此外对于纳米银多孔结构无法避免的现象，多数研究者研究点在于通过工艺的控制，很少有研究孔隙形状、分布情况、孔隙大小等多因素影响下对其疲劳寿命的研究。
参考文献：
[1]张波，邓小川，张有润，李肇基.宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望[J].中国电子科学院学报，2009，4（2）：112-118.
[2]冯洪亮，黄继华，陈树海，赵兴科.新一代功率芯片耐高温封装连接国内外发展评述[J].焊接学报，2016，37（1）：120-129.
[3]Siow K S . Are Sintered Silver Joints Ready for Use as Interconnect Material in Microelectronic Packaging[J]. Journal of Electronic Materials， 2014， 43（4）：947-961.
[4]曹云娇.电流烧结纳米银焊膏连接工艺研究及接头可靠性[D].天津大学，2013：10-11.
[5]A.A. Bajwa. New Assembly and Packaging Technologies for High-Power and High Tempera- ture GaN and SiC Devices. Ph.D. thesis， University of Freiburg ，2015：47，80.
[6]Z.Y. Zhang. Processing and characterization of micro-scale and nanscale silver paste for power semiconductor device attachment. Ph.D. dissertation， Virginia Polytechnic Institute and State University， 2005.22-90.
[7]S. Zabihzadeh， S.V. Petegem， L.I. Duarte， H.V. Swygenhoven. Deformation behavior of sintered nanocrystalline silver layers. Acta Materialia， 2015， 97： 116-123. [8]C.T. Chen， K. Suganuma， T. Iwashige， ·K. Sugiura， K. Tsuruta. High-temperature reliability of sintered microporous Ag on electroplated Ag， Au， and sputtered Ag metallization substrates. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2017， 29（3）： 1785-1797.
[9]Qi， Kun，Chen， Xu，Lu， Guo-Quan. Effect of interconnection area on shear strength of sintered joint with nano-silver paste[J]. Soldering & Surface Mount Technology，2008，20（1）：8-12.
[10]Chen G.， Cao Y.， Mei Y.， et al.， Pressure-assisted low-temperature sintering of nanosilver paste for 5×5 mm2 chip attachment， IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2012， 2（11）： 1759～1767.
[11]Yamakawa T， Takemoto T， Shimoda M， et al. Influence of Joining Conditions on Bonding Strength of Joints： Efficacy of Low Tem- perature Bonding Using Cu Nanoparticle Paste[J]. Journal of Electronic Materials， 2013， 42（6）：1260-1267.
[12]Yuan Li et al. Microstructure and Joint Properties of Nano-Silver Pasteby Ultrasonic-Assisted Pressureless Sintering[J]. Journal of Electronic Materials， 2016， 45（6） ： 3003-3012.
[13]Mei Y ， Cao Y ， Chen G ， et al. Rapid Sintering Nanosilver Joint by Pulse Current for Power Electronics Packaging[J]. IEEE Transa- ctions on Device & Materials Reliability， 2013， 13（1）：258-265.
[14]Tan Yansong，Li Xin，Chen Gang，Gao Qitong，Lu Guo-Quan，Chen Xu. Effects of thermal aging on long-term reliability and failure modes of nano-silver sintered lap-shear joint[J]. Internati- onal Journal of Adhesion and Adhesives， 2020，97（C）.
[15]Chuantong Chen，Seungjun Noh，Hao Zhang， Chanyang Choe，Jinting Jiu，Shijo Nagao，Katsuaki Suganuma. Bonding technology based on solid porous Ag for large area chips[J]. Scripta Materialia，2018：146.
[16]胡元坤，代巖伟，秦飞.孔隙率对烧结纳米银传热性能影响研究[A].北京力学会.北京力学会第26届学术年会论文集[C].北京力学会：北京力学会，2020：2.
[17]李欣.纳米银焊膏搭接接头力学性能研究[D].天津：天津大学，2011：8-76.
[18]齐昆.纳米银焊膏低温烧结粘接可靠性研究[D].天津：天津大学，2007：32-38.
Abstract： As a new generation of packaging materials， nano-silver solder paste has the characteristics of low-temperature sintering and high-temperature service. The interconnection layer structure formed after sintering has unique high-temperature resistance and high thermal conductivity， which is suitable for the packaging requirements of SiC power devices. Therefore， it is of great value to study the formation mechanism， sintering process， mechanical research and constitutive model of the sintered nano silver layer.
关键词：SiC;纳米银;烧结;本构模型
Key words： SiC;nano silver;sintering;constitutive model
中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0046-03
0 引言
IGBT功率器件被广泛用于新能源电车、车载逆变器上，做主要的控制元器件，而以SiC为代表的第三代半导体材料所制成的功率器件能够承受500℃左右甚至更高的温度，比Si小近千倍的导通电阻，多20倍左右的开关频率等性[1]。由于现有封装技术的限制，特别是芯片与基板的互连技术，例如银浆、聚合物材料，软钎焊等互连技术由于焊料合金的低熔点、环氧树脂的低温分解等原因，使其不能在高温环境下可靠工作，导致限制电力电子系统性能和可靠性的瓶颈从半导体芯片转移到了封装技术上来[2]。
近年来以烧结纳米银技术为代表的低温连接技术是目前功率器件朝耐高温、高可靠性应用发展的主要趋势，其基本原理是利用纳米尺度下金属颗粒的高表面能、低熔点特性来实现芯片与基板的低温低压烧结互连。形成的纳米银互连层具有优良的电、热性能，可承受710℃的最高工作温度，而且其厚度相比传统的钎焊接头要薄50～80%，是实现SiC功率器件封装的理想互连结构[3]。
1 国内外研究现状
1.1 烧结纳米银互连结构成型原理及微观结构
纳米颗粒具有独特的性能，其比表面积小并且表面曲率半径小，这种特性赋予了它具有比常规的粉体更低的熔点和焊接温度。纳米银而言，在粒径尺度在10nm以下时，它的烧结温度能降低到100℃以下，比块状时候的熔点的961℃低了800℃以上[4]。与块状银微观结构不同是，纳米银互连层是属于多孔材料，即在其内部分布有众多的微孔隙，微孔隙的尺寸位于亞微米至微米范围间。
1.2 烧结纳米银互连层的制作工艺
其工艺主要包括：
①在覆铜（Cu）基板上涂覆或者丝网印刷纳米银焊膏，将芯片放置在纳米焊膏上;
②进行预加热干燥，用于排除焊膏中的有机气体等挥发物，然后在高温下进行无压或压力辅助烧结，主要烧结工艺参数有升温速率、烧结温度、烧结压强、烧结时间和气体环境等;
③烧结完成后形成SiC-Cu基板纳米银互连层。可以看到，纳米银烧结互连层是碳化硅功率器件封装的关键结构单元，属于薄层结构，其厚度范围一般为20～50μm[5]。SiC芯片和Cu基板表面可以通过镀银、金或镍等烧结工艺提升其互连层的连接强度。
1.3 烧结纳米银互连层的工艺改进
Zhiye Zhang[6]比较了压力辅助烧结微米尺度的焊膏和无外加压力烧结纳米焊膏，并通过实验发现纳米尺度下的银具有比微米尺度下更高的烧结驱动力，避免了压力烧结下对芯片和基板中造成缺陷和裂纹等现象，并发现了烧结温度和烧结压强的增加会降低烧结银的孔隙大小。为探究烧结纳米银中孔隙与颗粒间的竞争关系，S. Zabihzadeh等人[7]对此进行研究，发现烧结过程中粒径发生塑性变形，并在两种不同烧结条件下对其孔隙图进行研究。得到低温低压下的烧结的变形和恢复主要受孔隙控制，而高压/温下的变形主要受颗粒的内部机制影响。
Chuantong Chen[8]通过电镀工艺和溅射工艺对烧结工艺进行改进，发现以溅射方式烧结后形成的纳米银互连层的结合强度可达40MPa。
Qi等[9]从工业现象中发现较大面积的互连会导致较差的互连质量，其原因是增加的互连面积阻止了有机成分被燃尽，会导致更高的的孔隙率，对这种现象的解决方法提出两个策略，其一为改变芯片尺寸，最好控制在3×3 mm2，其二是在烧结焊膏中添加“助燃剂”。之后，Chen等[10]通过控制温度、压强、烧结时间研究出了三种烧结方法，在针对10×10mm2的大面积连接时，既降低了烧结温度，又将烧结后的剪切强度提升至50MPa左右。 此外Yamakawa T等人[11]在實验中发现，处于真空环境下的烧结方式，比在空气环境下的纳米银烧结层的孔隙率低。
Yuan Li[12]等人研究了超声振动对无压烧结纳米银互连层和力学性能的影响，发现在烧结工艺中引入超声振动能够提高烧结银尺寸和密度，并发现其在处理烧结不充分的边缘地方，能减小过度区，提高纳米银互连层的连接强度。
Y Mei等人[13]等人通过引用脉冲电流影响烧结工艺，能够在3分钟的快速烧结中，得到剪切强度为30-35MPa的工艺方法。
1.4 烧结纳米银互连层的孔隙研究
Yansong Tan[14]等人统计了在不同时间和温度下孔隙率情况。发现孔隙的大致范围在26.8%左右。除此之外，将孔隙的大小分为3个水平，结果表明，烧结时主要由小孔和中孔组成，发现在275℃和350℃老化过程中，试样的孔径增大这些孔隙的数量同时减少。在125～225℃老化后，孔隙分布趋势相似，孔隙形状因子均匀分布，变化不明显。在275℃和350℃老化条件下，孔径随老化温度和老化时间的增加而增大，与此同时，孔隙出现聚集现象，不规则孔隙形状的出现频率随时效温度和时间的增加而增加。
1.5 烧结纳米银导热率及孔隙关系
Chuantong Chen等人[15]利用聚焦离子束切割横截面，基于积分几何形态图像，统计并分析得到多孔银的孔隙率为33.4%，并逆向还原了其三维孔隙模型图，其中因工艺而生成的致密抛光层，其厚度为2μm，其CTE与致密Ag相同即为18.9μm/（m·K）。并研究发现当纳米银互连结构从25℃升高到250℃时，多孔的Ag的CTE会由17.5μm/（m·K）变为23.2μm/（m·K）。
胡元坤等[16]通过Abaqus创建了烧结纳米银的孔隙模型，并在不同的预置裂纹下，研究了孔隙对于热传导性能的影响。发现了烧结纳米银热流密度分布不均匀，有孔隙的地方会使得周围的热流密度变低，并且随着孔隙率的增加，等效热导率依次减少。
1.6 烧结纳米银互连层的蠕变性能研究及蠕变本构
李欣[17]对烧结纳米银互连层进行恒定载荷的蠕变实验，将蠕变过程分为瞬态、稳态和加速断裂三个阶段，并结合空穴移动、应变硬化、损伤弱化、损伤耦合对蠕变过程三阶段解释。蠕变试验中，第二阶段占据接头蠕变断裂寿命的绝大部分，因此一般采用稳态蠕变速率■c来表示材料的蠕变性能。根据接头蠕变断裂寿命的绝大部分通过实验发现蠕变应力指数以及激活能分别与环境温度和加载应力的关系，得到修正后的关于Arrhenius幂率蠕变本构模型，经与试验对比发现其能较好模拟蠕变实验结果。
1.7 烧结纳米银互连层的寿命预测
李欣[17]基于蠕变应变率对烧结纳米银疲劳寿命进行研究，利用Monkman-Grant公式对烧结纳米银互连层蠕变寿命进行预测。通过与烧结银互连层的实验结果的对比，得到烧结纳米银接头的材料常数，进而对低温烧结纳米银互连层的蠕变下的寿命进行预测。
齐昆[18]基于Basquin提出的应力疲劳寿命预测模型对烧结纳米银互连层进行研究。通过剪切疲劳试验数据，利用拟合及Basquin基于应力的预测模型，得到了烧结纳米银互连层的疲劳预测式所对应的预测公式。
2 结束与展望
本文通过对烧结纳米银互连层的形成原理、工艺、烧结后的微观形态及热、力学性能、蠕变本构及寿命预测等方面进行了简要综述。就目前看来，烧结纳米银的研究主要集中在其制备工艺上，多数研究者通过实验的方法对结果进行研究，而利用数值优化方法进行研究的几乎没有。此外对于纳米银多孔结构无法避免的现象，多数研究者研究点在于通过工艺的控制，很少有研究孔隙形状、分布情况、孔隙大小等多因素影响下对其疲劳寿命的研究。
参考文献：
[1]张波，邓小川，张有润，李肇基.宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望[J].中国电子科学院学报，2009，4（2）：112-118.
[2]冯洪亮，黄继华，陈树海，赵兴科.新一代功率芯片耐高温封装连接国内外发展评述[J].焊接学报，2016，37（1）：120-129.
[3]Siow K S . Are Sintered Silver Joints Ready for Use as Interconnect Material in Microelectronic Packaging[J]. Journal of Electronic Materials， 2014， 43（4）：947-961.
[4]曹云娇.电流烧结纳米银焊膏连接工艺研究及接头可靠性[D].天津大学，2013：10-11.
[5]A.A. Bajwa. New Assembly and Packaging Technologies for High-Power and High Tempera- ture GaN and SiC Devices. Ph.D. thesis， University of Freiburg ，2015：47，80.
[6]Z.Y. Zhang. Processing and characterization of micro-scale and nanscale silver paste for power semiconductor device attachment. Ph.D. dissertation， Virginia Polytechnic Institute and State University， 2005.22-90.
[7]S. Zabihzadeh， S.V. Petegem， L.I. Duarte， H.V. Swygenhoven. Deformation behavior of sintered nanocrystalline silver layers. Acta Materialia， 2015， 97： 116-123. [8]C.T. Chen， K. Suganuma， T. Iwashige， ·K. Sugiura， K. Tsuruta. High-temperature reliability of sintered microporous Ag on electroplated Ag， Au， and sputtered Ag metallization substrates. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2017， 29（3）： 1785-1797.
[9]Qi， Kun，Chen， Xu，Lu， Guo-Quan. Effect of interconnection area on shear strength of sintered joint with nano-silver paste[J]. Soldering & Surface Mount Technology，2008，20（1）：8-12.
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[12]Yuan Li et al. Microstructure and Joint Properties of Nano-Silver Pasteby Ultrasonic-Assisted Pressureless Sintering[J]. Journal of Electronic Materials， 2016， 45（6） ： 3003-3012.
[13]Mei Y ， Cao Y ， Chen G ， et al. Rapid Sintering Nanosilver Joint by Pulse Current for Power Electronics Packaging[J]. IEEE Transa- ctions on Device & Materials Reliability， 2013， 13（1）：258-265.
[14]Tan Yansong，Li Xin，Chen Gang，Gao Qitong，Lu Guo-Quan，Chen Xu. Effects of thermal aging on long-term reliability and failure modes of nano-silver sintered lap-shear joint[J]. Internati- onal Journal of Adhesion and Adhesives， 2020，97（C）.
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[16]胡元坤，代巖伟，秦飞.孔隙率对烧结纳米银传热性能影响研究[A].北京力学会.北京力学会第26届学术年会论文集[C].北京力学会：北京力学会，2020：2.
[17]李欣.纳米银焊膏搭接接头力学性能研究[D].天津：天津大学，2011：8-76.
[18]齐昆.纳米银焊膏低温烧结粘接可靠性研究[D].天津：天津大学，2007：32-38.