烧结银的电化学迁移寿命与可靠性的同时提升

《IEEE Transactions on Device and Materials Reliability》：Simultaneous Enhancement of Electrochemical Migration Lifetime and Reliability of Sintered Silver

本研究通过引入5%铟的银基浆料，有效抑制了高温高压环境下银的电化学迁移和氧化，将失效时间从462分钟延长至839分钟，同时保持优异的热冲击机械性能，为宽禁带半导体器件提供可靠封装方案。

　　

摘要：

宽禁带（WBG）器件在高温和高电压偏置的工作环境下，由于电化学迁移（ECM）作用，烧结银层常常发生失效。本文通过添加5 wt%的铟颗粒（Ag-5%In）制备了一种新型银基浆料，有效平衡了电化学迁移过程与器件粘接性能之间的关系。在高温（400°C）和高电压（400 V）的电化学迁移测试中，Ag-5%In浆料中形成的In2O3有效抑制了银的氧化和离子化过程，使得电化学迁移失效时间从462分钟延长至839分钟。此外，银-铟金属间化合物（IMCs）的形成以及互连层的致密化提高了Ag-5%In浆料在热冲击测试（TST）中的可靠性，经过1000次热冲击循环后其平均剪切强度仍保持在24.6 MPa左右。综合来看，这种Ag-5%In浆料在电化学迁移和机械可靠性方面表现出优异性能，是适用于WBG器件高温高压应用的有前景的封装材料。

引言

宽禁带（WBG）半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），具有较高的击穿场强、较高的截止频率、优异的导热性和热稳定性，能够满足高功率密度器件的需求[1]、[2]。然而，WBG器件所处的恶劣工作环境（高温和高频率）加速了传统互连材料（如Pb-Ag、Pb-Sn或无铅焊料）的失效[3]、[4]、[5]。因此，亟需开发出具有高可靠性的封装材料，这些材料应具备优异的电导率和热稳定性，同时具备低烧结温度和高温工作能力，从而实现低温烧结和高温运行，这一点受到了广泛关注[6]。然而，在高电流密度或高电场作用下，银容易分解成Ag⁺离子，并向阴极迁移并沉积形成导电路径，最终导致器件的电化学迁移（ECM）失效[7]、[8]。