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金基底晶体结构对宽禁带封装中银-金互扩散的影响
Influence of Au Substrate Crystal Structure on Ag–Au Interdiffusion for WBG Packaging
| 作者 | Bowen Zhang · Zhiheng Gao · Zhiyuan Zhao · Yi Liu · Daohang Li · Yun-Hui Mei |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 宽禁带半导体 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 银金互扩散 宽带隙器件 晶体结构 剪切强度 分子动力学模拟 |
语言:
中文摘要
银 - 金的快速扩散通常会导致界面结合薄弱,这对宽带隙(WBG)器件的稳定性产生显著影响。因此,原子尺度的互扩散机制对于有效抑制过度互扩散并最终实现牢固结合至关重要。在此,采用具有不同晶体结构的金基底制备了芯片贴装样品,其中样品 I 和样品 II 的剪切强度分别达到 43.5 MPa 和 34.4 MPa。后续的晶体结构分析证实,烧结后的样品 I 呈现出 47%的较高界面连接率(ICR)和小于 0.2 微米的较低银 - 金互扩散厚度,这两者均有利于高质量的键合。与样品 II(约 82.3%)相比,样品 I 中相对较低比例的大角度晶界(约 81%)可能抑制互扩散,并有助于提高剪切强度。最后,采用分子动力学模拟(MDS)来更好地理解样品 I 和样品 II 之间的性能差异。模拟结果表明,互扩散过程倾向于在晶粒尺寸小、大角度晶界、金(111)面比例高以及烧结温度升高的金基底上发生。所提出的互扩散机制有助于通过烧结银浆和金金属化基底实现芯片贴装的发展,提高宽带隙器件的可靠封装性能。
English Abstract
The rapid diffusion of Ag–Au usually results in weak interface joints, which significantly impacts the stability of wide bandgap (WBG) devices. Therefore, the interdiffusion mechanism at the atomic scale is essential to effectively inhibit excessive interdiffusion and ultimately achieve robust joints. Herein, die-attach samples were prepared by Au substrate with different crystal structures, in which the shear strength reached 43.5 and 34.4 MPa for Sample I and Sample II, respectively. The following crystal structures analysis confirms the sintered Sample I exhibited a higher interface connection rate (ICR) of 47% and lower Ag–Au interdiffusion thickness of 0.2~ m, both of which benefit the high-quality bonding. Compared to Sample II (~82.3%), the relatively low proportion of high-angle grain boundaries in Sample I (~81%) may inhibit interdiffusion and favor higher shear strength. Finally, molecular dynamics simulations (MDSs) were employed to better understand the performance difference between Sample I and Sample II. The simulation results reveal that the interdiffusion process tends to occur on Au substrates with small grain size, high-angle grain boundaries, high proportion of Au (111) plane, and elevated sintering temperatures. The proposed interdiffusion mechanism facilitates the development of die-attach through sintered Ag paste and Au metallization substrate, enhancing the reliable packaging of WBG devices.
S
SunView 深度解读
从阳光电源功率半导体封装技术发展角度来看,这项关于Ag-Au界面扩散机制的研究具有重要的工程应用价值。随着我司光伏逆变器和储能变流器向更高功率密度、更高效率方向发展,SiC、GaN等宽禁带(WBG)器件的应用比例持续提升。这些器件在200°C以上的高温工作环境下,芯片贴装层的可靠性直接影响产品寿命和系统稳定性。
该研究揭示的Au基板晶体结构对Ag-Au互扩散的影响机制,为优化烧结银贴装工艺提供了理论依据。研究表明,通过控制Au基板的晶粒尺寸和晶界取向,可将剪切强度提升至43.5 MPa,界面扩散层厚度控制在0.2微米以内。这对于我司大功率模块在严苛工况下的长期可靠性至关重要,特别是在沙漠、高原等极端环境部署的光伏电站和储能系统中。
从技术成熟度评估,该研究已建立分子动力学仿真与实验验证相结合的方法体系,具备工程转化基础。对阳光电源而言,核心机遇在于:通过优化Au金属化层的制备工艺参数,可显著提升WBG器件封装质量,降低热阻抗,延长功率模块使用寿命,这将直接转化为系统级的竞争优势。
技术挑战主要体现在工艺稳定性控制和成本平衡。高纯度Au基板的晶体结构调控需要精密的工艺窗口,且Au材料成本较高。建议我司研发团队关注该技术方向,结合现有封装产线条件,开展Au基板微观结构优化的中试验证,同时探索降低贵金属用量的替代方案,以实现可靠性提升与成本控制的最佳平衡。