面向電子制造的功率超聲微納連接技術進展

馬秋晨，潘浩，張文武，李明雨，計紅軍

（哈爾濱工業大學（深圳），廣東 深圳 518055）

微電子封裝是集成電路（IC）與電子系統之間的橋梁，它融合了集成電路與電子系統之間使用的所有技術。先進的微電子封裝與制造技術是滿足超薄、超輕、高性能、低功耗等便攜式電子產品的需求，這也為半導體工業以更低成本維持摩爾定律開辟了一個全新的領域[1—3]。此外，隨著汽車電子、5G通訊基站、航空航天及電力電子設備等功率電子行業的迅猛發展，此類電子器件具有高集成度、大電流/大電壓、高溫服役等顯著特點，并且要求封裝互連接頭尺寸更小、高溫穩定性更好、可靠性更高，因此對高可靠封裝互連中新的連接工藝提出了更迫切的需求[4—8]。

基于整個微電子封裝互連對新工藝和新材料的需求，全面提出了功率超聲在微電子封裝中的應用。首先，針對微電子封裝中固相連接的應用，包括引線鍵合、Cu-Cu低溫鍵合、光纖包覆材料連接等[7]，對超聲引線鍵合、超聲金屬連接、超聲增材制造等連接工藝做了詳細研究，并深入探索了超聲對固相連接的變形機制[9—10]；其次，根據微電子封裝中芯片貼裝中低溫軟釬焊的需求，陶瓷-陶瓷與陶瓷-金屬連接時中溫焊接的應用，以及鋁/鎂合金散熱器與器件間的高溫連接，系統研究了功率超聲復合焊的工藝，包括超聲低溫軟釬焊、超聲中高溫連接以及超聲瞬態液相連接等，開展了一系列有關超聲復合釬焊的試驗，提出了超聲波在半固態釬料中的特殊效應，深入探索了超聲效應對界面的作用機制與潤濕機理，進而開拓了超聲波復合焊在電子封裝中的廣泛應用[11—13]；最后，為了適應第三代半導體高功率器件的發展，并滿足器件低溫連接高溫服役的特性，開發了超聲納米連接技術，利用納米尺寸效應具有低溫燒結的特點，引入超聲實現了大功率器件的更低溫度連接，并提出了全新的超聲納米燒結機制，最終滿足了第三代半導體高功率器件的高溫、高可靠性需求[14—16]。

綜上所述，縱觀微電子封裝互連的發展，對超聲微納連接技術應用在電子制造封裝領域做了全面的發展概述，并對功率超聲應用在電子制造中后摩爾時代的問題與挑戰做出了進一步的展望。

1 固相鍵合

超聲波焊接技術的出現可以追溯到 1937年，Siemens公司在金屬點焊中疊加超聲波，實現了焊核區晶粒的細化[17]。十多年后，德國學者Willrich發現無需施加額外電流，僅通過超聲波引起機械振動的固相鍵合方式即可獲得良好焊縫[18]。隨著固相鍵合技術的逐步成熟，應用于電子制造的功率超聲微納連接技術主要包括超聲引線鍵合、超聲金屬焊接和超聲增材制造。

1.1 超聲引線鍵合

引線鍵合技術起源于 1957年，貝爾實驗室的Andersen等[19]首次提出了“球形鍵合”和“楔形鍵合”的概念，但當時并未引入超聲波。根據 Harman發表的文獻[20]可知，超聲波在20世紀60年代首次應用于絲線鍵合技術中。目前，半導體封裝中90%以上的晶圓與電路間的電氣互連都是采用超聲引線鍵合技術來完成的。超聲引線鍵合根據能量方式分為熱超聲球形鍵合和超聲楔形鍵合，其中熱超聲球形鍵合因其無方向性、鍵合速度快等優勢，迅速得到廣泛應用。然而，熱超聲球形鍵合需要對鍵合部位進行燒球和預熱，對工藝和鍵合偶材料表面狀態要求更低的超聲楔形鍵合技術逐漸進入視野，圖1為超聲楔形鍵合工藝示意圖。首先，引線穿過楔形劈刀并留有尾絲，緊接著劈刀以一定的壓力將引線壓至被鍵合表面，引線發生塑性變形后，施加高頻振幅，并在引線和金屬基板之間形成良好鍵合后停止高頻振動。隨后劈刀將移動到第二鍵合點，執行與第一次鍵合相同的工藝過程。最后，使用線夾或切割器將金屬絲切斷。

圖1 超聲楔形鍵合工藝示意圖[21]Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic wedge bonding process

由于超聲鍵合接頭尺寸小，鍵合時間短，界面反應層薄，受限于試驗和分析手段，相關研究更多聚焦在鍵合點可靠性上。鍵合工具、引線和基板是直接影響鍵合點可靠性的關鍵因素。例如，鍵合工具的表面粗糙度將直接通過改變摩擦因數的方式影響鍵合過程。對于直徑較小（<75 μm）的引線通常采用扁平的鍵合工具，而帶有U型凹槽或V型的鍵合工具通常用于鍵合直徑較大（75～500 μm）的引線[21]。在引線材料方面，含有1%的Si或1.5%的Mg（質量分數）的鋁線是最普遍用于超聲楔形鍵合的材料。為了提高高溫服役性能和耐蝕性，也可根據服役條件添加一定量的其他金屬元素[21]。與鋁線相比，銅線具有更好的導熱導電性能和更高的可靠性，越來越多地替代鋁線用于功率器件的封裝，但銅的易氧化性制約了其大規模應用。目前已有相關學者提出可采用銅線表面涂覆薄層鋁的方式改善銅線焊接性[22]。除此之外，在超過純鋁熔點的超高溫服役條件（900 ℃）下，相關學者也提出了鉑線和鈀合金金線的替代方案[23—24]。在基板材料方面，常用材料為純鋁、純金和純銅。基板的表面粗糙度、硬度和污染物均可影響鍵合強度，但根據相關文獻的調研，基板粗糙度和硬度對鍵合工藝的影響機理仍值得進一步研究[25—29]。

基于目前已有的研究成果，超聲引線鍵合可以分為4個階段：預變形和超聲激活階段、摩擦階段、超聲軟化階段、相互擴散階段[30]。首先引線在劈刀法向力的作用下突破屈服極限，發生塑性變形，并在一定程度上去除了表面氧化層和污染物（預變形和超聲激活階段），緊接著當超聲振動帶來的橫向力超過引線與靜摩擦力時，即進入摩擦階段，此時劈刀的高頻振動將進一步去除界面氧化物和污染物，加速界面元素的相互擴散，同時驅動金屬軟化加劇摩擦（超聲軟化），最終促進界面處的冶金接合。4個階段之間并沒有嚴格間隔，并在整個超聲鍵合過程中有一定的重合。

本團隊的相關研究主要集中于Al線與COB基板Au/Ni/Cu金屬化表面的超聲鍵合研究，并針對相互擴散階段進行了原始界面分析和老化后界面分析。圖2為施加不同超聲功率（焊接時間為100 ms，鍵合壓力為5.88 N）獲得的鍵合界面[31]。由圖2可見，隨著超聲功率增加，連接區域逐漸由邊緣位置向中心位置擴展，當功率達到200 mW時，過大功率的輸入將折斷引線，并在界面處留下楔形跡線。進一步借助高分辨TEM的界面表征技術（如圖3所示）分析引線鍵合界面[32]，發現引線處有明顯的孿晶特征，且室溫下的鍵合界面仍存在明顯的相互擴散特征。CBED技術證實界面金屬間化合物相主要為Au8Al3。

圖4為老化試驗后的界面相互擴散分析結果，老化時間小于48 h時，鍵合界面幾乎沒有變化。隨著老化時間的增加，金屬間化合物首先沿著厚度方向垂直生長，隨后IMC厚度保持不變，并轉變為橫向生長模式。此過程中金屬化合物主要有Au5Al2和Au2Al。此外，AuAl2出現將導致初始裂紋的萌生，并通過大量的Kirkendall孔洞快速擴展，最終貫穿整個鍵合界面[33]。

1.2 超聲金屬焊接

超聲金屬焊接的工作方式大體與超聲引線鍵合相似，其工藝示意圖如圖5所示[34]，焊接工藝同樣包括施壓與高頻振動兩個主要步驟，但略有不同的是超聲引線鍵合中的鍵合工具為劈刀，而超聲金屬焊接中的施壓工具為帶有滾花的超聲壓頭。

圖2 不同超聲功率下的界面演變[31]Fig.2 Interface evolution under different ultrasonic power

圖3 引線鍵合界面的高分辨TEM表征[32]Fig.3 High-resolution TEM characterization of wire bonding interface

圖4 200 ℃不同老化時間的界面演變[33]Fig.4 Interface evolution of different aging time at 200 ℃

圖5 超聲金屬焊接工藝示意圖[34]Fig.5 Schematic diagram of ultrasonic metal welding process

目前關于超聲金屬焊接的研究主要集中在超聲壓頭滾花圖案與最優工藝窗口優化、界面晶粒形態與織構演變3個方面。與超聲引線鍵合改變劈刀材質不同，超聲金屬焊接中通常通過改變滾花圖案的方式改善焊接質量，應用最為廣泛的滾花圖案為梯形和鋸齒形兩種，相較于梯形滾花的壓頭，鋸齒形滾花壓頭可進一步增強摩擦提升界面溫度并降低超聲壓頭對于頂層基板的嵌入[35—36]。超聲波金屬焊接中振動頻率通常為20，30，40 kHz，輸出功率一般不超過4 kW，超聲焊接通常可根據待焊材料屬性定義焊接壓力、振幅、時間或能量。通常在其余參數固定的情況下，增加焊接時間或輸入能量，焊接程度可分為未焊合（under）、焊合（normal）和過焊合（over）3個階段，相應拉剪載荷呈現先增加后減小的趨勢[37]，因此根據不同材料的工藝窗口，選擇合適的工藝參數才能保證較好的焊接效果。

超聲焊接的連接過程總體可以分為3個階段[38]：微焊接區形成、微焊接區擴展和漩渦狀界面形成。微焊接區主要由緊密接觸位置的局部應力集中所致，隨著摩擦的逐步加劇，微焊區擴展并最終由于應力的不均勻分布形成漩渦狀界面。

Ji等對不同壓下量的鋁箔超聲焊接界面織構的分析見圖6[9]，結果表明退火態鋁箔首先由原始的立方織構{001}<100>和高斯織構{110}<001>，轉變為{001}<211>和{112}<111>兩種變形織構，隨著變形的進一步增加，晶粒中動態再結晶分數逐漸提升，同時晶粒的逐步旋轉導致變形織構分數降低，旋轉立方織構{001}<110>逐漸增強。由ODF的織構演變分析，證實了鋁箔超聲焊接界面的動態再結晶過程。

圖6 不同壓下量的超聲焊接界面織構分析Fig.6 Texture analysis of ultrasonic welding interface with different reduction

超聲波金屬焊接過程中，高頻振幅的施加不可避免地帶來超聲壓頭對待焊工件表面的損傷，導致焊接材料邊緣處過度減薄，造成焊接強度降低。此外，過大的表面損傷也限制了超聲波金屬焊接在功率器件封裝中的應用，因此如何在保證焊接強度的同時減少表面損傷將是下一步亟需攻克的方向。

1.3 超聲增材制造

超聲增材制造是由超聲金屬固結成形技術發展而來，其通過對多層金屬帶或箔進行超聲波焊接實現增材制造，還可搭配數控銑削平臺實現零件的精密成形，其示意圖如圖7[39]所示，滾動的超聲焊頭施加法向力，并將超聲振動局部施加到金屬帶或箔上，引起局部劇烈摩擦。這種摩擦的產熱大約是劇烈塑性變形的2倍以上[40]，大量摩擦熱也為上下層金屬箔的焊接提供了足夠的擴散驅動力。由超聲振動引起的剪切變形還可破壞焊接材料表面的氧化層，進而產生純凈金屬表面，促進相鄰層之間形成原子鍵。此外，超聲能量還將驅使焊接箔片出現聲軟化現象，進一步促進塑性變形[41—42]。由于整個過程中不涉及母材的熔化，改善了由于金屬零件收縮、殘余應力等因素引起的尺寸誤差，因此可用于生產具有高制造精度和良好表面粗糙度的幾何形狀復雜的零件。除了用于純金屬的零件制造外，超聲增材制造還可應用于多種材料復合（例如異種金屬，金屬基復合材料，帶有嵌入式引線、傳感器、光纖的物體等）的特殊零件[43]。

圖7 超聲增材制造搭配數控銑削平臺示意圖[39]Fig.7 Schematic diagram of ultrasonic additive manufacturing with CNC milling platform

超聲波增材制造主要通過包覆特殊材料的方式實現光電感應、應力感應等器件的封裝。Li等在鋁箔表面絲網印刷LuxPrints 8153介電材料，并成功通過超聲增材制造方式實現電子材料在金屬塊體中的封裝[44]。Mou等采用超聲增材制造的方法在金屬塊體中封裝光纖材料，并成功表征了復合塊體的傳輸頻譜、溫度感應與應力感應[45]，但由于超聲施加方式的局限，超聲增材制造器件大多為規則形狀，且高頻振幅的施加對內部包覆器件性能影響的不確定性，均限制了超聲增材制造的廣泛應用。

2 超聲復合釬焊

固相鍵合為同質或異質金屬之間的直接鍵合，不添加中間層釬料。為了進一步增加焊接過程中的兼容性、易操作性及焊后接頭的可靠性，可添加合適的中間層釬料，即采用釬焊的方法實現連接。釬焊是一種精密連接技術，與熔焊和壓焊共同構成現代的焊接技術體系。由于焊接溫度比母材低，對母材的物理化學性能影響較小，在電子制造領域得到廣泛的應用。釬焊按照加熱溫度可分為低溫釬焊、中溫釬焊和高溫釬焊（但對于不同的釬料體系，其溫度劃分并不相同）。釬焊按熱源種類或加熱方式可分為火焰釬焊、爐中釬焊、感應釬焊、激光釬焊及超聲波釬焊等。超聲波輔助釬焊由于易操作、成本低及節能高效等諸多優勢被研究者廣泛關注。下文將圍繞超聲復合釬焊展開，主要包含低溫超聲釬焊、中溫超聲釬焊、高溫超聲釬焊及超聲輔助瞬態液相焊（Ultrasonic-assisted transient liquid phase, U-TLP）等工藝方法。

2.1 低溫超聲釬焊

當人們逐漸認識到含鉛釬料對環境的危害后，開始研究無鉛釬料，國際社會對無鉛釬料的開發和研究始于20世紀90年代。2002年歐盟通過了RoHS法令，此后全球無鉛釬料逐漸替代含鉛釬料，所占比例逐年升高。在低溫超聲釬焊過程中，由于其工藝要求的溫度較低，所選擇的釬料多為Sn基焊料。具體的釬料類別主要包含SnAgCu（SAC）系列釬料、SnCu釬料、SnZn釬料及SnBi釬料等，其中微電子制造領域用的SAC系列釬料比重最高。在接頭連接的過程中，可通過施加超聲場[46—49]對互連系統進行額外的能量輸入，超聲加載的示意圖如圖8所示[48]。

圖8 超聲焊接Cu/Sn/Cu接頭示意圖[48]Fig.8 Schematic diagrams of ultrasonic bonding of Cu/Sn/Cu joints

超聲場的加載對整個連接過程、焊后接頭組織及其性能有著重大的影響。超聲波振動可以將錫晶粒從300 μm細化至20 μm，且SAC305釬料相對于純Sn釬料的晶粒細化效果更佳，原因可能是在超聲場促進了 IMC缺陷處的不均勻成核[50]。同時，在液相線和固相線之間的溫度范圍內，超聲空化效應和聲流效應的混合作用可以有效改善Sn-30%Bi合金（質量分數）的顯微組織，使凝固過程中初生Sn枝晶破碎，且在整個固化過程中進行超聲場加載時，形成離異共晶組織[51]。也有研究發現，隨著超聲場的加載，在Cu/Sn固液界面處新生成的樹枝狀IMC發生枝晶斷裂，這將會導致界面Cu6Sn5和Cu3Sn層的厚度大大降低；而超聲振動和攪拌促進了Sn釬料中Cu6Sn5晶核的形成，并使IMC在Sn/Cu界面和Sn釬料中保持動態非平衡狀態[52]，在Al/Sn連接體系中也發現類似結論[53]。

在芯片鍵合過程中，Ji等[15]的研究發現鍍 Ag-Ni的SiC芯片/Sn-0.7Cu/Cu接頭可在超聲輔助下快速形成全金屬間化合物接頭（如圖9所示）。當超聲功率為500 W且鍵合時間為 10 s時，獲得了由8 μm (Cu,Ni)6Sn5和1.5 μm Cu3Sn金屬間化合物組成的高熔點接頭，該接頭具有較好的導熱性能和力學性能。

圖9 SiC芯片/Sn0.7Cu/Cu接頭示意圖與表征[15]Fig.9 Schematic diagram and characterization of SiC die/Sn0.7Cu/Cu joint

Ji等采用純Sn和SAC305釬料，在超聲場的加載和不加載情況下接頭晶粒的大小和取向分布情況見圖10[54]。研究表明，Cu/SAC305/Cu接頭的晶粒細化程度比 Cu/Sn/Cu接頭的晶粒細化程度更加明顯。對于Cu/SAC305/Cu接頭，超聲的施加能有效細化晶粒，并促進細小晶粒的均勻分布（10 μm）。在Cu/Sn/Cu接頭組織觀察中，僅有局部區域出現細小晶粒。細晶的出現改變了原始錫晶粒的取向，兩種接頭均呈現出從各向異性到各向同性轉變的趨勢。

平面狀釬料是超聲輔助釬焊中最常用的釬料填充方式，近年來相關研究者提出了一種新穎的釬料填充方法：采用鍍有薄錫的銅微錐陣列作為連接層，如圖11所示[55]。由于鍵合界面中錫層的厚度約為300 nm，因此在8 MPa的低壓和1 s的短時間條件下可獲得最佳的鍵合質量。在超聲作用下，鍍有薄錫的銅微錐陣列有效地相互嵌入，形成了穩定的機械互鎖。此外，原子的快速擴散將進一步促進薄錫在鍵合界面上轉變為Cu3Sn相。

通過大量的實驗論證，發現在低溫釬焊過程中施加超聲是一種較為理想的連接手段。目前關于超聲對連接過程中詳細機制的理解尚未統一，雖有研究者提出模型來解釋其過程和機理[56—58]，但其本質尚未清晰，仍需進一步深入研究。

圖10 Cu/SAC305, Sn/Cu接頭的EBSD表征[54]Fig.10 EBSD characterization of Cu/SAC305 and Sn/Cu joints

圖11 微納錐形陣列輔助超聲焊接Fig.11 MCAs assisted ultrasonic welding

2.2 中溫超聲釬焊

金屬Cu由于其優異的導電性和導熱性，被廣泛應用于傳熱及導電組件的制造。Cu由于密度大且耐蝕性較差，在工業化應用上受到約束，而金屬 Al雖導電導熱性弱于Cu，但在密度和耐蝕性方面較于Cu有顯著優勢，因此，集中二者優勢的Cu/Al復合結構應運而生。對于釬料而言，Zn-Al合金由于適中的釬焊溫度（Zn-Al共晶合金的熔融溫度為381 ℃），更高的耐腐蝕性和優越的機械性能[59—60]，被認為是Cu/Al異種金屬釬焊的理想釬料。同時，超聲的輔助加載可實現無助焊劑的連接，有效降低了助焊劑的污染。本節將圍繞Zn-Al釬料中溫超聲釬焊Cu/Al接頭展開。

釬料始終是連接工藝研究的重點。Zn-Al釬料中加入其他元素可以有效改善其性能。在Zn-Al釬料中加入Si元素可以抑制富Zn區域的形成，而腐蝕裂紋主要發生在富鋅區域的邊界處，因此可以有效抑制腐蝕裂紋的擴展，提升耐腐蝕性[61]。隨著Cr含量的增加，ZnAl4合金中初生η-Zn相明顯細化，體積分數明顯增多，而層狀共晶組織減少；當Cr的質量分數為0.06%時，合金的抗拉強度、硬度和斷后伸長率最佳，主要強化機制為細晶強化和析出強化[62]。稀土元素Ce的加入可有效提高釬料的潤濕鋪展性能，細化釬料的基體組織，提高釬焊接頭的抗剪強度[59,63]。Zr元素對Zn-15Al釬料基體中η-Zn相有明顯細化作用，且對不銹鋼和鋁合金母材的潤濕性有一定提升[64]。Ti元素的加入會對 Zn-22Al釬料的鋪展性能和剪切強度有一定的促進作用，當 Ti元素質量分數為 0.03%時，釬料的潤濕鋪展性能最佳，其剪切性能也呈最佳狀態[65]。此外，還有其他元素也會對釬料的特定性能產生促進作用，如 Ag[66]，Sn，Cu[67—68]，Ni[69]等。

Xiao等[13]的研究發現，Cu/Al異質金屬的超聲輔助釬焊可借助Zn-3Al釬料來實現，示意圖如圖12所示。借助超聲場的加載，可獲得無孔洞和裂紋的Cu/Al接頭。在400 ℃釬焊的接頭中，焊縫由α-Al相，CuZn5相和 Zn-Al共晶相組成，并且在 Cu界面上發現了CuZn5的IMC層。在440 ℃和480 ℃釬焊的接頭中，焊縫主要由α-Al相、CuZn5相和Al4.2Cu3.2Zn0.7相組成，Cu界面轉變為 Al4.2Cu3.2Zn0.7相。剪切強度測試表明，440 ℃釬焊的接頭的最高剪切強度為78.93 MPa，而所有Cu/Al接頭的失效均出現在Cu界面區域。

圖12 超聲輔助釬焊示意圖[13]Fig.12 Schematic diagram of ultrasonic-assisted brazing

由上述簡述可以看出，選取Zn-Al釬料超聲釬焊Cu/Al接頭工藝的關鍵參數主要有溫度、超聲場的加載以及釬料的選擇，這些都將影響接頭的組織性能，因此，若要獲得某一方面特定性能的接頭，還需對各項工藝窗口做出精確調控。

2.3 高溫超聲釬焊

陶瓷在高溫下具有高強度、高硬度、低密度、低熱膨脹性和良好的導熱性等特征。由于液態金屬在陶瓷上的潤濕性差、釬焊需要真空環境以及釬焊接頭不耐高溫等系列問題，其應用受到一定程度的限制。近年來，通過施加超聲場的方法正在改變此現狀。超聲波振動可有效改善液態金屬在陶瓷上的潤濕性并抑制接頭缺陷，提升接頭強度。

陶瓷與金屬之間可采用 Al基釬料進行連接。Chen等[70]研究了在620 ℃下選用超聲輔助工藝實現SiC陶瓷之間的連接，選擇的釬料為Al-12Si。超聲加載時長為2～16 s時，接頭的抗剪強度達到84～94 MPa。斷口形態表明，裂紋的萌生和擴展出現在接頭的合金中。在超聲的侵蝕作用下，SiC表面的非晶SiO2薄膜被不均勻的分解并擴散到液態Al-12Si合金中，但這并不會阻礙潤濕和鍵合過程。圖13a和b展示了在4 s的超聲時間內，SiC和Al-12Si之間接合界面的SEM截面顯微組織，可以看出接頭的界面相對平直；同時，在凝固過程中，一些Si顆粒會直接沉淀到 SiC陶瓷附近的接頭合金中。

Zhang等[12]實現了超聲輔助下Ti-6Al-4V合金與ZrO2陶瓷之間的高質量連接，選用的釬料為Al-5Si。接頭的平均抗剪強度隨超聲時長的增加，先增加后趨于穩定（見圖14a）。當超聲時間為 20 s時，接頭的平均剪切強度達到最大值90.68 MPa。接頭斷口形貌顯示，其呈現韌性斷裂（見圖14b—e）。同時，在Ti-6Al-4V和釬料的界面處形成了兩種重要的金屬間化合物Ti(Al,Si)3和Ti7Al5Si12。

Ji等[71]提出了一種在空氣環境中使用純鋁釬料，借助超聲場的加載，快速實現氧化鋁接頭的連接方法。研究發現，在700 ℃下施加超聲場，可以原位形成大量的納米級氧化鋁顆粒（50～100 nm），在氧化鋁陶瓷連接過程中實現純鋁在氧化鋁陶瓷上的超快反應潤濕，使接頭具有高強度和耐高溫特性。常溫下剪切強度達到（101.5±12）MPa，在450 ℃的高溫下，剪切強度超過（55±1.5）MPa。實驗論證表明，超聲的加載對于獲得高質量陶瓷接頭起著關鍵作用。

Chen等[72]采用新開發的多元合金 AlSnSiZnMg（Al-15.5Sn-9.5Si-4.5Zn-0.5Mg）釬料，同時借助超聲場的輔助，來實現SiC陶瓷與Ti-6Al-4V合金的連接。該多元合金釬料由 Al，Sn，Si，Zn，Mg2Sn和Al2Mg相組成。與 AlSi共晶釬料相比，其固相線溫度低至183.1 ℃，彈性模量和熱膨脹系數更低。金屬間化合物 Ti7Al5Si12形成于 Ti-6Al-4V側的界面上，獲得接頭的平均剪切強度達到77.8 MPa。

圖13 超聲加載4 s后微觀組織和斷口形貌[70]Fig.13 Microstructure and fracture appearance of the jointafter ultrasonic assistance of 4 s

圖14 700 ℃下不同超聲時長的接頭的剪切強度和斷口形貌[12]Fig.14 Shear strength and fracture appearance of joint with different ultrasonic-assisted brazing durations at 700 ℃

2.4 超聲TLP

近年來，在微電子制造領域，芯片小型化高集成度和大功率的趨勢愈發明顯，擁有高溫服役特性的芯片才能滿足當下的發展需求。在芯片鍵合過程中，過高的溫度會對電子元器件產生直接損傷，因此，期望在低溫下實現芯片互連，并在高溫下服役工作。超聲輔助瞬態液相焊的方法為上述需求提供理論支撐及可行性。此外，在芯片互連過程中施加的超聲場也可改善焊點接頭組織和性能，因此超聲輔助 TLP工藝的研究漸入人們的視野。

在低溫焊接高溫服役的理念指導下，借助超聲場的加載可以有效縮短傳統 TLP所需的時間。對于Sn/Ag反應體系，Ag3Sn接頭可在15 s內制備完成[73]。選用Sn箔（20 μm）作為中間層釬料，在0.2 MPa和600 W橫波超聲場的加載下，8 s即可完成Ni3Sn4IMC接頭的制備[74]。

Li等[75]評估了超聲振動在 Mg合金/Ni/Mg合金體系中的作用，結果表明當基體和中間層釬料為固態時，MgO層會由于聲軟化作用而破裂，從而在30 s內實現連接。隨著超聲時長的增加，接頭的微觀組織從Mg2Ni和α-Mg組成的共晶組織轉變為α-Mg（Ni）固溶體。超聲波的聲壓增加了基體中溶質原子的組分和擴散距離，這有助于將基底與中間層之間的相互擴散時間縮短10 s內。此外，也有研究者開發了兩步式超聲 TLP工藝[76]，即分別在不同溫度下施加兩次超聲波。在Zn釬料層的熔化溫度以下施加第一次超聲波，目的是去除表面氧化物并促進共晶反應。在較高的連接溫度下施加二次超聲，可減小界面IMC厚度，優化的工藝可以完全去除 IMC，并獲得完全的Mg(Zn)固溶體界面。Tan等[77]研究發現，隨超聲加載時長的增加，在Cu/SAC305/Cu系統中，超聲場對β-Sn晶粒的生長起到一定的促進作用；但維氏硬度隨超聲時長的增加變化不大，接頭的剪切強度隨超聲時長的增加呈增加趨勢，但超過 1.5 s后剪切強度保持在45 MPa左右。

Ji等的研究發現[11,47]，為了進一步增加釬料的固液接觸面積和擴散速率，可制備含有較大固液接觸面積的復合釬料，且在 TLP過程中施加超聲，以進一步加快反應速率。采用不同粒徑的 Cu顆粒與 Sn顆粒制備而成的Cu-Sn復合釬料，同時加以超聲場的輔助，具有高熔點的Cu3Sn IMC接頭可在10 s內即可獲得，大大提升效率。此外，采用不同粒徑的Ni顆粒與Sn顆粒制備而成的Ni-Sn復合釬料，在超聲場加載10 s后即可獲得全Ni3Sn4IMC接頭，如圖15所示。

圖15 復合釬料IMC接頭[11,47]Fig.15 IMC joint of composite solder

Zhang等對Ni/Sn-Ni復合釬料/Ni體系在超聲場下的加速冶金反應機理展開分析和討論[78]，如圖16所示。在傳統TLP過程中，由于Sn和Ni顆粒在低溫下為固態，因此主要依賴固相擴散，并且其速率非常慢。當溫度達到Tp1時，擴散從最初的固相擴散轉變為液-固界面擴散。隨著反應進一步進行，擴散路徑轉變為液體-IMC-固相擴散。對于超聲 TLP，由于空化效應與聲流效應，新生成的 IMC會被剝離，從而一直保持液態Sn與固相Ni的接觸，擴散機制始終保持為更快的固/液界面擴散。

3 超聲納米連接

隨著半導體器件朝著小型化、高集成度、高功率密度的方向發展，同時要求器件產品在高溫、大電流、潮濕等惡劣的工作環境下具有良好的電氣互連與機械支撐，這對于傳統釬焊實現芯片低溫連接高溫服役的需求帶來了極大的挑戰。諸如航空航天、5G通訊基站、汽車電子和電力電子等領域面臨電子元器件在高溫、大電流等極端環境下工作，這對芯片互連材料在高溫可靠性上提出了更高的要求。圖17為電子元器件的應用領域與服役溫度示意圖。傳統Sn基釬料在300 ℃高溫環境下會失效，同時Pb-，Bi-，Au-，Zn-基等中高溫釬料因其環境污染、高成本、連接溫度高、導電導熱性能差等缺點，使傳統釬焊在以第三代半導體為主發展趨勢下受到了極大的限制[3,79]，因此，以金屬納米顆粒為基體的納米連接技術則能夠很好地克服這些問題，其優異的性能和高溫服役特性，有望成為下一代大功率電子封裝的核心材料。

基于上述總結的高功率器件封裝互連，大部分互連材料都需互連工藝溫度高于熔點，而服役溫度卻低于熔點，即器件的服役溫度越高，互連工藝溫度就越高，這就導致器件與基板間的熱失配越嚴重，進而產生較大的殘余應力，最終使得電子元器件服役過程中容易損傷甚至失效，如表1[15,80—81]所示為常用低溫互連材料的工藝溫度、服役溫度與性能測試，因此，盡可能降低互連工藝溫度的同時，還能保持高的服役溫度是實現高功率器件封裝的關鍵所在。超聲作為一種特殊能量形式的波，因其獨特的物理化學效應被廣泛應用于電子封裝領域中，它既能加速接頭中液態/半固態釬料的冶金反應從而快速得到理想的接頭，還可以在引線鍵合過程中降低互連溫度提高強度，從而獲得高可靠性的接頭，因此，將超聲波引入到高功率器件封裝互連中是一種全新的連接技術，這將為大功率器件封裝領域提供新的解決思路。圖18為JI H J等[16]近年提出的超聲熱壓納米連接技術，利用超聲和熱的共同作用，借助不同殼層厚度的 Cu@AgNPs納米顆粒配置而成的漿料，實現了對高功率器件的超低溫鍵合。他們設計了一種特殊的超聲壓頭結構，在不破壞芯片的同時實現對芯片-焊膏-基板等三明治結構的互連（見圖18a）。如圖18b所示為合成的Cu@AgNPs形貌，將自己合成的納米顆粒制備成焊膏，并涂敷在基板上，然后采用超聲輔助熱壓連接，其鍵合后形成的接頭由致密的Ag和Cu燒結頸交叉連接而成，且形成了大量的微米級 Cu胞體組織（見圖18c），使接頭組織在180 ℃的低溫環境下實現致密化燒結，且強度高達54.27 MPa。

圖16 超聲輔助TLP中的IMC生長機理[78]Fig.16 Schematic diagram of IMC growth during U-TLP soldering

圖17 高功率電子元器件的應用領域及其服役溫度[79]Fig.17 Application fields and working temperature for high power electron components

表1 常用低溫互連材料的工藝溫度、服役溫度與性能測試[15,80—81]Tab.1 Process temperature, working temperature, property test of commonly used low-temperature interconnection materials

圖18 超聲輔助Cu@Ag NPs漿料的互連原理、組織結構與性能[16]Fig.18 Diagram of principle, microstructure, properties of ultrasonic-assisted interconnection of Cu@Ag NPs paste

綜上所述，隨著電子元器件的小型化、輕量化、高密度、低成本、高性能的發展，尤其是高功率器件封裝中金屬納米連接技術必將取代部分軟釬焊方法。針對目前納米連接技術需要較高的工藝溫度、導電導熱性差的問題，超聲納米連接技術將是一種極好的選擇，它利用高能量超聲波輸入來達到納米顆粒快速燒結的目的，從而克服熱壓納米連接時工藝溫度高、導電導熱性差的難題，這將為大功率器件封裝互連工藝的發展具有重要的指導意義。

4 結語

功率超聲由于其表面清潔、聲流和空化作用，將大幅提升冶金反應速率，有效解決了傳統 TLP反應溫度高、時間長，以及Cu和Al等金屬的易氧化問題，攻克了Al2O3，AlN，SiC等陶瓷基板的難潤濕，以及低溫納米顆粒燒結驅動力不足的難題，因此是對現有的半導體集成電路、微電子器件封裝技術的有效補充。目前，本團隊基于整個微電子封裝互連對新工藝和新材料的需求，全面提出了功率超聲在微電子封裝中的應用，其中包括針對微電子封裝中固相連接領域的引線鍵合、室溫超聲金屬連接，超聲增材制造，針對釬焊領域的超聲低溫軟釬焊、超聲中高溫連接以及超聲瞬態液相連接，以及針對第三代半導體高功率器件，開發的超聲納米連接技術。目前對于功率超聲微納連接技術還存在以下幾個方面有待深入研究。

1）超聲引線鍵合已是目前廣泛應用于電子制造的微納連接技術，但超聲驅動的固相連接機理尚不明確。目前大多數研究仍集在于材料調整、工藝參數控制方面，而超聲帶來的自清潔作用仍未通過原位試驗證實，且超聲驅動冶金接合中的摩擦產熱機制、微滑動機制、超聲軟化機制的協調作用機理仍需進一步研究。

2）超聲復合釬焊可有效改善金屬的氧化性與潤濕性問題，但目前有關于超聲對于液相釬料的聲流作用與空化作用仍停留在理論猜想階段，因此如何合理搭建原位觀察設備，探明超聲在熔融釬料中的作用場變化規律，將極大促進功率超聲與鍵合質量的進一步耦合。

3）超聲納米連接技術是目前應用于高功率器件封裝的有效方法，但目前納米焊膏制備成本過高以及可靠性不穩定等問題，嚴重阻礙了其應用于實際的工業生產。此外，引入超聲波來促進納米顆粒的燒結機制也尚不明確，以及功率超聲對各種芯片連接的兼容性問題，進而影響到電子元器件實際封裝的應用，這些都是目前急需解決的關鍵性技術問題，因此如何開發簡單且有效的超聲納米連接技術是促進納米封裝技術進一步發展的關鍵。

綜上所述，目前電子制造的功率超聲微納連接技術仍未完善，但由于超聲在鍵合中獨特的自清潔、促潤濕等特點，可以預見功率超聲微納連接技術未來將是微電子封裝技術中不可替代的一個分支。