Introduction
寬禁帶 (wide-band-gap, WBG)功率器件(例如 碳化硅及氮化鎵)，可以在高功率、高頻率及高溫度下運作，越來越多地用于許多電子應用，例如汽車、航空、3C消費電子以及太空發(fā)展等。為了保證WBG功率器件模塊的高性能及可靠度，所有的封裝組件都必需符合更嚴苛的熱及電性要求。其中將功率器件貼片到金屬化基板是功率模塊封裝的關鍵組件，提供高效率的散熱途徑以及增加高功率密度的內(nèi)部連結。因其嚴重影響熱、電性和可靠度性能，低溫銀燒結具有高熱傳導、優(yōu)良電氣特性及可靠度，符合此類功率器件的封裝需求。
一般所使用環(huán)氧樹脂添加銀顆粒的導電膠，由于低導電性( 電阻率10-3~10-6 ?·cm )，低熱傳系數(shù)(<10W/mK)，適用于一般芯片封裝使用。而錫鉛合金(錫/鉛)或三相合金(錫/銀/銅合金)雖具有較高的熱傳導系數(shù)(~50W/mK)但由于長期特定工作溫度使用下，其共金面會產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象(intermetallic layer crack)而產(chǎn)生可靠度問題，同時因含有鉛而造成人體健康及環(huán)境問題，此時新型無鉛(lead-free)的取代材料如燒結銀材料則引起相當?shù)年P注。
當材料粒子縮小至納米等級時，一些特殊特性如熔點降低，表面能提升及擴散系數(shù)增加皆與原本的總體性質(zhì)(bulk property)有顯著的不同。因此燒結型納米微粒被用來開發(fā)于新型低溫無鉛材料的連接方法，這些納米粒子當中，銀(Ag)因具有優(yōu)越的導電、導熱系數(shù)及超高工作溫度而屏雀中選。現(xiàn)行中，低溫銀納米粒子燒結被開發(fā)來當做半導體元件與金屬基板的連結材料。透過原子的擴散及粉末粒子的合并，低粒徑銀燒結制程可用較低的制程溫度(150~350℃)來達成.
有機化合物吸附于銀納米粒子的表面來達到分散及穩(wěn)定的作用，在燒結的過程中，需要加熱至特定溫度來移除所添加的有機化合物，燒結完成后的連接層(joint layer)表現(xiàn)出銀的高熔點(960℃)及高導電高導熱系數(shù)如同原金屬總體狀態(tài)。所以這些透過相對較低溫(<350℃)燒結所產(chǎn)生的銀納米產(chǎn)物可以使用于低于此燒結(<350℃)溫度的工作環(huán)境，而傳統(tǒng)錫合金焊料在此溫度下是無法達到的。
Sintering process 燒結制程
所謂燒結是指粉末在低于熔點下的特定溫度所進行的熱處程制程，其目的是用來增加粉末的機械強度并產(chǎn)生穩(wěn)定的結構。整個燒結的生產(chǎn)過程如下圖所示，制備好的粉未經(jīng)過混合后經(jīng)由粒徑成型后進行高溫處理，最后完成整個燒結結構。
依照燒結的狀態(tài)則可以分成固相燒結，液相燒結以及反應型燒結，本文著重于固相燒結，簡述如下所說明.
l 固相燒結(Solid phase sintering)：只存在固相的情況下粒子進行燒結；
l 液相燒結(Liquid phase sintering)：在固相及液相下粒子進行燒結；
l 反應型燒結(Reactive phase sintering)：同時存在不同相的狀況下進行而反應產(chǎn)生另一相的燒結產(chǎn)物。
Sintering theory 燒結原理
燒結發(fā)生的驅動力主要是透過質(zhì)量傳送來降低內(nèi)部界面能量，形成穩(wěn)定的狀態(tài)。這個界面可以是晶格的邊界或是與空氣的界面，由原子擴散方式進行質(zhì)量傳送來降低表面自由能，過程中產(chǎn)生晶格尺寸增大(grain growth)及結構致密化(Densification)。燒結過程可分為三個階段(1)初始階段;(2)中期階段以及(3)最終階段，這三個階段并無明確的分界定義而階段與階段的間有所重疊。
(1)初始階段(initial stage)
粉末粒子的間透過轉動及移動來進行重新排列至穩(wěn)定的位置而產(chǎn)生密度增加及體積收縮。在重新排列的過程中，粒子間的接觸增加，由原子擴散方式促使的間的頸部連結與成長(neck growth)。當頸部直徑(x)達到粒子直徑(D)的0.4~0.5倍，密度約為理論密度(TD)的65%時達到初始階段的燒結。
(2)中期階段(intermediate stage)
當孔隙達到由表面和界面所決定的平衡的形狀時，一般認為是中期階段的開始，因此時的密度仍是低的狀況，孔隙沿著晶粒邊界呈現(xiàn)連續(xù)或是相互連接的情況。隨著致密化持續(xù)進行，孔隙截面積因被截斷而變小，達到90%理論密度時，此為中期階段的結束。
(3)最終階段(final stage)
孔隙緩慢縮小被隔離于晶粒角落或消失，燒結結構密度達到90%~99%的理論密度。
Sintering Process Parameter 燒結制程控制參數(shù)
銀燒結主要的制程參數(shù)為(1)溫度(temperature); (2)壓力(pressure); (3)時間(Time)，其說明如下
(1) 溫度
燒結溫度與粉末的粒徑尺寸有著高度相關性，在使用納米尺寸的粉未下，燒結溫度有顯著的下降，如一般銀粒子的熔點為961℃，在此納米尺寸下，燒結的溫度僅需250℃以下即可得到高熱傳導及高導電系數(shù)的銀燒結構。燒結溫度如下列實驗式所表示， Ts為燒結溫度， Tm,p為材料熔點，α為幾何及環(huán)境因子，較大粒子尺寸下α為0.5~0.8，在納米尺寸時，α為0.1~0.3。——Ts = α*Tm,p
(2) 壓力
在燒結過程中施加外部壓力稱為”壓力輔助燒結制程”，而無施加外部壓力下則稱為”無壓力輔助燒結制程”，在外部壓力存在下燒結時，會有較高的原子擴散流通量(flux)，同時粉末可能因物理作用下產(chǎn)生形變而增加接觸表面積，晶格邊界較容易或甚至不需克服擴散的活化能(activation energy of diffusion)。壓力輔助燒結的優(yōu)點為能夠在較低溫度下協(xié)助粗化較大粒徑粉末的晶格，而缺點為在高壓下容易對芯片產(chǎn)生物理性損傷。例如在10x10 mm2的芯片及納米銀粒子的燒結時，使用壓力為40MPa，此時在制程上則需小心處理以避免損傷芯片。下圖說明壓力對燒結結構產(chǎn)生的影響。
(3) 時間
燒結時間與粒徑如下列關系式所表示，相對較小的粒徑，其燒結完成所需的時間相對于縮短（表面能高），其中m為整數(shù)常數(shù)(2~4)，r1與r2為不同粒徑。——(r1 / r2)m = t1 / t2
上述關系式同時意味著在相同燒結完成時間下，較小粒徑材料燒結可允許降低燒結時間及壓力。
總體燒結的驅動力(total driving force)：包括外部壓力以及曲率的貢獻（粒徑縮小從而降低粒子曲率半徑）。如下圖所示，當晶格尺寸小于20~30納米，曲率對驅動力的影響開始大于壓力的效應，而壓力對不同尺寸的粒子晶格則維持相同的效應，在較大尺寸的粒子晶格下，壓力則提供較大的驅動力。
注：
1. 納米銀粉通常是指粒徑介于1~100納米的間，具有相當大的體積表面積及表面能量，可以在較低溫下進行燒結。
2. 當粒子的有效半徑因顆粒的聚集和聚合特性（“團聚” 現(xiàn)象），而超出納米效應后，納米銀燒結的優(yōu)勢在此即不顯現(xiàn)。
3.曲率是圓半徑的倒數(shù)1/R（描述曲線偏離直線的程度），曲率半徑=曲率的倒數(shù)。納米顆粒粒徑越小，曲率越大，曲率半徑越小，其表面的原子化學勢越高。
Nanopowder Sintering Challenges 納米銀粉燒結的挑戰(zhàn)
納米銀粉燒結另一問題為在低溫下存在非致密化擴散現(xiàn)象，沿晶粒邊界的體積擴散或頸部區(qū)域的錯位成長可使結構致密化(densification)，在致密化擴散(densification diffusion)下，粉末粒子間中心至中心的長度是有所變化，非致密化擴散(non-densification diffusion)下則不受改變，如左下圖所示。
粉末粒子非細致密化擴散以及致密化擴散主要是由溫度因子所控制的，如右上圖所示，在相對低溫范圍內(nèi)由表面擴散(surface diffusion)主控，此時并無產(chǎn)生致密結構。在此所使用納米粉末具高體表面積及低溫燒結狀況下容易產(chǎn)生非致密化問題。為了降低此問題發(fā)生，可加速加溫繞過低溫區(qū)使得表 面擴散現(xiàn)象在短時間內(nèi)無法充份進行。進入高溫區(qū)晶粒邊界及晶格擴散主導燒結的進行而產(chǎn)生致密的結構，孔隙率因而降低，而低溫燒結容易產(chǎn)生較多孔隙的結構。
Application – Sintering vs Semi Sintering
Sintering Process (壓力輔助燒結)
Semi Sintering Process (無壓力輔助燒結)
Semi Sintering Process (ELT 高壓烤箱壓力輔助燒結)
燒結主要的控制參數(shù)為溫度、壓力、燒結環(huán)境氣體以及升溫/降溫速度，在適當?shù)膮?shù)控制下，可以得到低孔隙率、高機械強度、高熱傳導系數(shù)及高導電系數(shù), ELT實驗結果如下圖所示.
Application –Sintering
Sintering vs Semi Sintering : 工藝制程
Sintering vs Semi Sintering : 材料結構
Sintering vs Semi Sintering : 設備差異
Conclusion:
Sintering 提供卓越的熱電性能和高可靠性，是高功率密度半導體器件的理想選擇，但其對制程設備和成本的要求較高。
Semi Sintering 則是一種折衷方案，它在保持較高熱電性能的同時，極大地提高了制程的便捷性和成本效益，并透過樹脂增強了材料的機械韌性，使其成為許多應用中替代傳統(tǒng)焊料的優(yōu)選方案。納米銀粒子具有低溫燒結特性，搭配ELT壓力烤箱的使用，能得到低孔隙率及良好界面接著的燒結結構，同時亦降低芯片損傷的風險。
總體而言，燒結和半燒結制程各有其優(yōu)勢和適用范圍。選擇哪種制程主要取決于應用對性能、成本和制程復雜度的綜合考慮。
