新书推荐：《宽禁带半导体器件耐高温连接材料、BBIN工艺及可靠性

　　传统软钎料合金在微电子工业中已得到了广泛的应用，然而软钎料合金已经不能满足第三代宽禁带半导体（碳化硅和氮化镓）器件的高温应用需求。新型银烧结/铜烧结技术和瞬态液相键合技术是实现高温器件可靠连接的关键技术，该技术对新能源电动汽车、轨道交通、光伏、风电以及国防等领域具有重要意义。本书较为全面地介绍了当前用于高温环境下的芯片连接所涉及的新型互连材料的理论基础、工艺方法、失效机制、工艺设备、质量控制与可靠性。

　　本书可作为功率电子领域材料、工艺和可靠性工程师的参考书，也可作为高校相关专业的教材。

　　1.1引言1.2软钎焊技术1.2.1焊料熔点1.2.2界面反应1.2.3凝固1.2.4微观结构分析1.3银烧结技术1.3.1烧结驱动力1.3.2银烧结的过程1.3.3银互扩散层的形成1.3.4老化过程中的微观结构演变1.4银烧结与常用软钎焊材料的性能比较1.5烧结银的孔隙率1.5.1孔洞和气孔的定义说明1.5.2孔洞的形成及影响因素1.5.3孔隙率测定1.5.4孔隙率对机械性能的影响1.5.5孔隙率对热导率的影响1.5.6孔隙率对电导率的影响1.6总结与结论参考文献

　　2.1LED 芯片的连接应用简介2.1.1LED 介绍2.1.2常见的LED 芯片结构2.1.3用于LED 芯片连接的芯片贴装技术平台2.1.4LED 连接材料的选择2.1.5结论2.2大功率LED 应用的烧结银浆2.2.1用于 LED 的烧结银浆介绍2.2.2烧结银：分类、工艺条件及比较2.2.3烧结银浆的可靠性问题2.2.4结论2.3银- 银直接键合及其在LED 芯片连接中的应用2.3.1银- 银直接键合的基础介绍2.3.2氧在银- 银直接键合中的作用2.3.3残余应力在银- 银直接键合中的作用2.3.4纳米银小丘机制2.3.5结论参考文献

　　3.1引言：利用烧结银作为芯片连接材料3.2选择烧结银的因素3.3压力烧结与无压烧结的烧结银焊点比较3.4银烧结中的关键步骤3.4.1基板或晶圆印刷3.4.2预热3.4.3压力烧结设备3.4.4芯片塑封- 贴片- 压力烧结3.5大规模生产中银烧结的工艺控制3.5.1烧结银焊点的键合线厚度、孔隙率和圆角高度的控制3.5.2银烧结的模具设备控制 : 芯片的贴片、旋转和倾斜3.5.3确保芯片粘接强度3.5.4电气和可靠性测试3.6烧结银焊点的失效分析技术3.6.1差示扫描量热 - 热重分析仪（DSC-TGA）3.6.2热机械分析仪（TMA）3.6.3扫描电子显微镜 - 能谱仪（SEM-EDS）3.6.4透射电子显微镜（TEM）3.6.5飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）3.6.6软件建模与仿线X 射线C - 扫描声学显微镜（C-SAM）3.7结论和展望参考文献第4 章高温连接界面材料的热机械可靠性建模

　　4.1引言4.2热机械建模4.2.1材料属性4.2.2模型设置4.2.3求解4.2.4应变能密度仿线热机械建模中的断裂力学方法4.3.1循环加载的弹塑性断裂力学4.3.2ANSYS 中 J 积分的计算4.3.3其他断裂力学参数4.4关于烧结银的简要说明4.5结论参考文献第5 章烧结银焊点的可靠性和失效机制

　　5.2机械性能5.2.1弹性模量5.2.2强度5.2.3蠕变5.2.4疲劳和棘轮效应5.3烧结银焊点的可靠性评估5.3.1热老化5.3.2热循环5.3.3功率循环5.3.4烧结银的电化学迁移5.4结论与展望参考文献第6 章原子迁移诱发的烧结银形态变化

　　6.2热老化下的微观结构演化6.2.1热老化下微观结构的粗化6.2.2金属接触的扩散现象6.3烧结银中的电迁移6.4结论参考文献第7 章同等原则与作为芯片连接材料的烧结银膏

　　7.2同等原则的主要案例与准则7.3烧结银技术背景7.4烧结银膏的专利侵权分析7.5侵权测试与方法论7.6案例1 ：纳米银膏vs 微米银膏7.7案例2 ：纳米银膏vs 纳米银膏7.8结论参考文献第8章铜烧结技术：工艺与可靠性

　　8.2铜纳米粒子的制备8.3热性能8.3.1热阻的测量和热导率的估算8.3.2进一步模拟8.4可靠性8.4.1功率循环测试8.4.2热循环测试8.5结论参考文献第9章瞬态液相键合技术

　　9.2瞬态液相键合：热力学的关键概念9.2.1铜- 锡二元系统：反应、金属间化合物的形成及相互扩散9.2.2铜- 镍二元系统：单一扩散9.2.3三元系统中沉淀物的析出9.3瞬态液相键合：动力学的关键概念9.3.1金属间化合物的增长率9.3.2反应几何形状对等温凝固速率的影响：改变反应的低温相体积和界面面积9.4制造和设计约束9.5润湿和微观结构的不均匀9.5.1不完全润湿9.5.2瞬态液相烧结系统中液体的再分布和多孔隙的形成9.5.3等温凝固和固态转变过程中孔隙的形成9.6商业电子产品的应用和技术要求9.6.1应用温度9.6.2应用需求9.7瞬态液相键合设计的一般热力学框架9.7.1二元瞬态液相键合系统9.7.2三元体系9.8与竞争技术的比较9.8.1焊料9.8.2烧结银9.8.3导电胶9.8.4与瞬态液相键合的力学性能比较9.9瞬态液相键合的工艺设计9.9.1流程优化9.9.2新工艺和几何结构9.10结论参考文献第10章恶劣环境下的芯片连接材料

　　10.2连接焊料10.3瞬态液相键合10.3.1含锡瞬态液相10.3.2金锡瞬态液相10.3.3瞬态液相烧结10.3.4液相扩散键合10.4基于聚合物的连接材料10.4.1各向异性导电膜10.4.2导电胶10.4.3导电环氧树脂10.4.4氰酸酯10.4.5银 - 玻璃基材料10.5引线封装剂和黏合剂的选择过程10.73D 集成的挑战10.8结论参考文献新书上线折福利，扫码购书

　　七年前，当我撰写第一篇关于芯片连接的烧结纳米银工艺的评论文章时，我丝毫不会想到我还会编写一本关于该主题以及其他高温芯片连接材料的书，更遑论与来自澳大利亚、中国、日本、马来西亚、英国和美国的一群杰出研究人员进行合作了。更令人惊奇的是，我与这些研究人员中的大多数都未曾谋面，但他们却相信我将编写本书并能够最终完成。

　　因此，我非常感谢他们为这项先进、高效且环保的键合技术所付出的努力和做出的贡献，以应对当今严苛条件下半导体芯片连接领域的挑战。本书书名中的关键词是“高温（ high temperature）”和“芯片连接（ die-attach）”。那么，随着近几年宽禁带半导体进入主流制造领域，到底什么才是芯片连接应用中的“高温”呢？巧合的是，在第 37届国际电子制造技术会议期间，我有幸接待了Lee 博士（来自 Indium公司），并有幸成为 iNEMI联盟的一员。该联盟在 2017年正好讨论了高温芯片连接这一话题。

　　在为各种定义苦恼了好几个小时后，我决定将“高温”的开放式定义理解为在 200℃以上连续运行的情况，尽管其他人更倾向于认为这一定义取决于高温芯片连接材料的具体应用或市场细分。为符合欧盟指令，除了耐高温外，芯片连接材料还需要做到无铅化，以在电子产品中使用环保产品。目前，该要求仅在报废车辆的附件 2、8e和 RoHS7a 中得到豁免。但是，如果有替代品可用并且又证明其在技术上作为无铅芯片连接材料可行，则这种豁免可能会被取消。

　　因此，人们便有动力以新的键合材料“垄断”无铅芯片连接材料的市场，但过去的几次大规模测试中，所有尝试均未能取得成功。基于无铅和耐高温的双重要求，DA5芯片连接小组提出了四种主要替代方案，即导电胶、银（金属）烧结、瞬态液相烧结 /键合（ TLPS/TLPB）和焊接。导电胶显然不符合前面提及的连续高温操作的定义，而大多数可用的无铅焊料在 0.5Tm（均一化温度）以上的操作温度下将发生蠕变失效，进而无法在该温度下可靠地工作。

　　因此，因独有的高熔点，以银烧结、铜烧结与瞬态液相烧结为代表的烧结技术在这场高温连接材料竞赛中成为了zui初的赢家。银烧结技术构成了本书的大部分内容，但并不是因为我个人参与研发了这项技术，而是因为它的可用性，目前已有多家公司在大规模制造的环境中生产具有烧结银的功率模块和发光二极管（ LED）。

　　此外，因为 LED 的芯片尺寸和接口有独特的烧结要求，所以第2章专门讨论了烧结银在 LED 应用中的使用。尽管在功率模块或 LED 中有了这些特定的应用要求，银烧结的基本原理依然保持不变。在zui初采用这项技术时，至关重要的一点便是确定烧结和焊接之间的差异之处，详见 1.4节。烧结是一种固态反应，不会经历液体到固体的转变，因而不存在自对准效应。

　　与焊接不同，烧结也没有任何在粘接步骤后返工的可能性。长期接触焊接的工程师们一个常见问题是“烧结银焊点（接头）中金属间化合物（IMC）的形成情况如何？”由于电力电子或模块中的大多数芯片连接粘接界面是银、铜或金，而银可与这三种元素形成固溶体，因此不会产生 IMC。不存在金属间化合物表明粘接可靠，但烧结银微结构固有的“不稳定性”要求在烧结过程中施加压力，这是一个在芯片连接过程中有些“不可思议”的工艺步骤。

　　基于这些一般的科学原理和观察，就可制造性而言，焊接更胜一筹。除了操作条件外，填充银片的导电胶和烧结银膏本身又有什么区别？虽然一些烧结银膏的配方中加入了聚合树脂，但大多数银膏是纯银填料，添加有黏合剂、溶剂和封端剂。这些银膏配方不会残留任何的助焊剂，因此在粘接过程结束后不需要清洁。亦可将黏合剂添加到这种银膏中，以克服银膏缺乏黏合力和基底特异性烧结的问题，但这通常又会导致热导率的降低。这些银黏合剂还具有与常用导电胶不同的回流曲线，导致掺入的银纳米颗粒在相邻的纳米颗粒与接合界面之间发生烧结。

　　烧结银不断演变的微观结构和形态值得本书单列一章（详见第6章）来讨论各种机制，包括烧结银中的电迁移；这与电化学迁移不同（详见第5章）。电迁移是金属线内的电子风将原子逐出，产生晶须和空洞，而电化学迁移是指金属离子在相邻金属导体间迁移，zui终形成枝晶。第5章还讨论了在不同机械性能 [即弹性模量、拉伸、剪切、蠕变和疲劳（棘轮效应）强度 ]以及在不同的应力条件下烧结银焊点的其他失效机制，例如机械应力或热应力（如热老化、热循环）和功率循环。常见的工程实践还要求在任何的实际制造之前，先进行电子封装的建模和仿线章的基础，该章提供了多种选项和策略，以便从业人员在制造真正的银焊点之前了解烧结银的性能。

　　除银烧结外，铜是世界各地各团体积极研究的另一种金属，旨在解决烧结银技术中在某些利基市场中出现的“电化学迁移”问题（详见第8章）。几家膏料制造商和“压力烧结”设备制造商也准备好了工艺和设备，将烧结铜作为另一种可能的烧结膏料加入其项目中。第7章在三种烧结银膏配方的背景下讨论了尚存争议的“同等原则（DOE）”。作者提出了一种“法律拟制”的概念，即侵权产品具有与美国专利中所述相同的配方，并着手进行非文字侵权，即 DOE分析。

　　在典型的 DOE分析中，专利范BBIN bbin围可以根据工艺、材料配方或产品中组成部分的功能、方式和结果进行扩展，超出专利权要求的字面含义。第9章无疑是迄今为止针对芯片连接应用的瞬态液相键合（ TLPB）主题所写的最全面的一章。TLPB也称为扩散焊接（由英飞凌技术公司研发），已经被用于大规模制造中利基产品的芯片连接，该章提供了各种信息，涉及科学、动力学以及不同的 TLPS方案，这些都可在工业实践和文献中找到。第10章由通用电气贝克休斯公司的两名工程师撰写，他们将自己在油田和能源行业应用中的丰富经验和知识浓缩成了简明易懂的文字，介绍了在高温应用中焊料、黏合剂和 TLPB的使用方法。

　　特别感谢我的家人，尤其是我的妻子 Hui Min，感谢她的理解和耐心，使本书得以完成。自 2016年首次构思本书以来，她在诞下一个BBIN bbin孩子的同时，还在本书的比喻和文字方面进行了繁重的工作，感谢她的辛勤付出！同时，我也感谢施普林格公司在我关于本书主题的评论论文被大量下载和引用后，第一时间找到我来编写本书。

　　然而，也许正是这种开发任意一种组件、工艺或材料，都力求与整个系统视为一体的兼容性需求，加速了该领域研究专业的全面发展。除了小型化与鲁棒性问题以外，本书还重点聚焦了一个微电子应用领域的关键需求——高温需求，这是推动微电子行业发展的关键所在。

　　依赖高温微电子技术的行业在各国经济发展上也越发重要，包括新能源汽车（电动出行、混合动力和电动汽车中的电力电子技术）、传感器行业和照明行业（ LED 封装）。高达150℃的工作温度对这些领域的电子元器件及其互连提出了极高的要求，为适应严苛的操作工况，首先需要的是耐腐蚀、耐高温的新型封装材料，其次是合适的、成本效益良好的制造工艺。

　　在当今所使用的互连表面贴装技术（SMT）中，焊接可能是最受欢迎的。通常，工艺上使用锡基软焊料，而该焊料在 150℃以上的热机械应力下会很快失效，即使通过添加锑作为掺杂剂来提高强度后，该焊料也不适用。因此，本书的主要内容实际上将聚焦于银烧结工艺，这是另一种非常流行且可靠的连接技术，其工作温度超过 150℃。

　　第 7章讨论了三项专利中有关银膏配方的“同等原则”（即 DOE原则，但该原则存在争议）。同等原则认为：专利的权利要求可以超越其字面含义，应当包括那些在结果中表现出“实质上”等效的方式和方法，也称作三重同一性测试。虽然该章仅作为指南，不能替代法律建议，但它还是强调了此类在同等原则分析中使用的不同工具和限制。

　　本书的第 8~10章侧重于银烧结的替代方案，如果不讨论铜烧结，任何关于银烧结的讨论都是不完整的。在第8章中， Yamada讨论了铜烧结，这是一种极具前途的、低成本的银烧结替代技术，其具有较低的热膨胀系数（ CTE）和非常好的导电性和导热性，因此具有出色的机械鲁棒性和电导率；第 9章详细介绍了TLPB，它涉及将焊料层完全转变为金属间相，并评估了它作为一种新的芯片连接技术在高温和高可靠性应用中的适用性；

　　闫海东：工学博士、浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院研究员、桂林电子科技大学硕士生导师。博士毕业于天津大学高温功率电子封装实验室，从事银烧结技术及工艺可靠性研究。目前致力于探索面向高温高频宽禁带器件用低温烧结材料、工艺及高可靠功率模块的封装集成技术研究。近年来，主持完成或在研国级、省部级课题及企业合作研发项目 8项，参与国家高技术研究发展计划（ 863计划）课题 1项，国家自然科学基金项目 4项，发表银烧结技术相关高水平学术论文 20余篇，申请或授权发明专利 10项。

　　近年来，随着功率半导体器件技术的快速发展，硅基 IGBT器件的结温已提升至其物理极限 175℃。硅基器件的结温局限正制约着电力电子系统高温环境的应用。作为重要的宽禁带半导体器件，碳化硅（ SiC）器件可工作在 200~225℃或更高的结温下。结温的大幅提升有助于拓展电力电子系统的高温应用能力和降低系统散热成本等。在新能源电动汽车、光伏、轨道交通、新一代移动通信、尖端国防装备等领域，SiC器件正逐渐得到广泛关注。

　　当前，基于典型硅基互连技术与硅基器件在力、热、电学性能方面具有良好的匹配。相比而言， SiC器件拥有约 1.5倍于硅基器件的结温、 3倍于硅基器件的热导率、 1/5硅基器件的导通电阻以及 3倍于硅基器件的杨氏模量。力、热、电学性能方面的巨大差异，使得传统软钎焊技术已逐渐无法满足 SiC器件的耐高温、高效散热、工艺兼容性要求，新型连接材料和工艺技术亟待发展。烧结银具有高的导热率、低的电阻率、优异的耐高温性能及与后续焊接工艺良好的兼容性，它特别适合作为高温 SiC器件的无铅连接界面材料。

　　本书分 10章，第 1章对银烧结技术与传统焊接技术的差异及各自的工艺特点进行了概述性介绍；第 2章以 LED应用为例介绍了银烧结的优点；第 3章主要介绍了银烧结技术及微观表征方法；第 4章主要介绍了烧结银界面的热机械可靠性建模的方法；第 5章讨论了电源应用环境下烧结银的可靠性和失效机理；第 6章主要介绍了扩散和电迁移对烧结银形态的影响；第 7章主要介绍了三项专利中有关银膏配方的“同等原则”；第 8章主要介绍了一种银烧结可替代技术——铜烧结；第 9章主要介绍了瞬态液相键合技术在高温和高可靠性应用中的优势；第 10章介绍了不同材料在恶劣条件下对芯片连接的作用。感谢国家自然科学基金“银纳米颗粒焊膏低温无压连接铜基 -SiC器件的无氧烧结机理研究”（No.51967005）、广西科技基地人才专项（桂科 AD20159081）、广西制造系统与先进制造技术重点实验室课题（No.19-050-44-006Z）、广西高校中青年教师科研能力提升项目（ No.2019KY0246）的资助。

　　感谢我的研究生梁培阶、吕国平、邓馨、刘昀粲、范寅祥对本书所做的工作。本书的原版中引用的资料来源较多，不同资料中的个别术语表述方式、一些单位名称及物理量符号的使用标准不甚一致，考虑到读者更直观易懂的阅读体验，译者对此进行了统一。此外，由于高温芯片连接材料涉及的知识面较宽，新材料和新工艺所涉及的概念和术语较多，书中有关词句的中文表达不当或不妥之处在所难免，希望发现疏漏和错误的读者给予及时的指正。