柯鑫, 谢炳卿, 王忠, 张敬国, 王建伟, 李占荣, 贺会军, 汪礼敏

无机材料学报 2024, 39 (1): 17-31. DOI:10.15541/jim20230345

摘要（958）

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半导体材料是现代科技发展和产业革新的核心, 随着高频、高压、高温、高功率等工况的日趋严峻及“双碳”目标的需要, 以新型碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料逐步进入工业应用。半导体产业的贯通以及市场规模的快速扩大, 导致摩尔定律正逐渐达到极限, 先进封装互连将成为半导体行业关注的焦点。第三代半导体封装互连材料有高温焊料、瞬态液相键合材料、导电胶、低温烧结纳米Ag/Cu等几个发展方向, 其中纳米Cu因其优异的导电导热性、低温烧结特性和良好的可加工性成为一种封装互连的新型方案, 具有低成本、高可靠性和可扩展性, 近年来从材料研究向产业链终端应用贯通的趋势非常明显。本文首先介绍了半导体材料的发展概况并总结了第三代半导体封装互连材料类别; 然后结合近期研究成果进一步围绕纳米Cu低温烧结在封装互连等电子领域中的应用进行重点阐述, 主要包括纳米铜粉的粒度、形貌、表面处理和烧结工艺对纳米铜烧结体导电性能和剪切性能的影响; 最后总结了目前纳米铜在应用转化中面临的困境和亟待解决的难点, 并展望了未来的发展方向, 以期为低温烧结纳米铜领域的研究提供参考。

近年来, 全球半导体产业的贯通以及市场规模的快速增加, 导致摩尔定律正逐渐达到极限, 半导体上下游工序将实现整合, 先进封装互连将成为半导体行业聚集的焦点, 并将重塑先进半导体产业竞争的新格局[11]。半导体模块封装互连是将半导体分立器件通过某种集成方式封装到模块内部, 并实现内部与外部电气连接、散热通路、机械支撑、外部环境保护等功能[12]。一般将半导体的封装分为四级: 将芯片封装在导线框架或基板中, 并完成其中的密封保护与电路连线、导电导热等制程的芯片级封装称为零级封装; 将芯片与引线框架固定并与管脚或引脚进行封装连接得到的芯片组件结构称为一级封装; 将管脚或引脚与印刷电路板连接并在主板上完成表面贴装和直接安装称为二级封装; 印刷电路板组装在系统的母板上并保证封装各组件相对位置的固定、密封, 子系统与设备的连接以及与外部环境的隔离等称为三级封装[13]。随着半导体芯片尺寸减小，为满足多变的应用环境以及可靠性的需求, 研究人员所进行的针对性研究主要集中于芯片程度的一级封装。目前的SiC功率器件仍主要沿用传统Si基结构的封装互连形式, 典型功率半导体模块封装互连结构如图3所示[14]。