低温活性焊料SnAgTi与SiC的表面润湿和界面结合机理研究

GaN devices with SiC substrate generally need to be dealt with the high temperature and multiple chemical reaction processes in packaging. The packaging of the devices not only requires the complex processes and high cost, but also the high temperature and chemical treatment, which causes potential damages to the structure of the device in a certain extent, reduces the yield, and impacts the performance and reliability of the products. .This project presents a novel low temperature active bonding method which can bond the SiC to the substrate directly. The surface wetting and interfacial bonding mechanism of the low temperature active solder SnAgTi and SiC will be studied. The contents mainly include: effects of active element Ti on the wettability between SnAgTi alloy filler and SiC, the interfacial bonding mechanism of SiC/ SiC joints soldered using SnAgTi alloy filler, and the bonding strength and fracture mechanism of SiC/ SiC joints soldered using SnAgTi alloy filler..The innovative achievements of this project include the wetting mechanism of SiC, the diffusion mechanism of Ti, the low temperature active bonding dynamic process, interface bonding mechanism and interface fracture mechanism, which can provide theoretical and experimental basis for low temperature active bonding to be applied in the third generation of semiconductor device packaging. Meanwhile, this project provides a new method to effectively reduce device failure risk, reduce working procedure and the cost, and improve product reliability.

以SiC为衬底的GaN器件在衬底封装环节需要经过高温处理和化学反应等多道工序，不仅工艺复杂、成本高，还由于高温和化学处理等在一定程度上对器件的结构造成潜在损伤，降低了成品率，影响了产品的性能和可靠性。 .本项目提出一种能够直接将SiC衬底与基板进行低温封接的活性焊接方法。研究低温活性焊料SnAgTi与SiC的表面润湿和界面结合机理，主要包括：活性元素Ti对焊料在SiC上润湿性的影响机理，低温活性焊料与SiC焊接界面结合机理，低温活性焊料与SiC焊接界面连接强度及断裂机制。 .本项目将在活性焊料SnAgTi对SiC的润湿机制、活性元素Ti的扩散机理、低温活性焊接动力学过程、焊接界面结合机理、界面断裂机制等方面形成创新性成果，为低温活性焊接方法应用于第三代半导体材料器件封装提供科学依据和实验基础，为有效降低热应力导致器件失效风险，减少工序及成本，提高产品可靠性提供一种新方法。

碳化硅（SiC）是高频大功率GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件的主要衬底材料。在预金属化之前，SiC不能与传统焊料进行焊接，这就导致了GaN器件与SiC衬底封装过程中需要进行高温处理和化学反应。本项目研究低温活性焊料SnAgTi与SiC的表面润湿和界面结合机理，主要包括：活性元素Ti对焊料在SiC上润湿性的影响机理，低温活性焊料与SiC焊接界面结合机理，低温活性焊料与SiC焊接界面连接强度及断裂机制。 .本项目采用Sn3.5Ag4Ti(Ce,Ga)低温活性焊料分别在250℃和420℃空气中进行焊接碳化硅衬底。在两种焊接温度下均观察到Ti在SiC/Sn3.5Ag4Ti（Ce，Ga）界面上的明显偏聚。理论分析表面，Ti的扩散系数是温度的指数函数，因此420℃时活性元素Ti在界面的偏聚速率比250℃时更快。根据透射电子显微镜（TEM）分析结果表明，在250℃保温60min的SiC/Sn35Ag5Ti（Ce，Ga）焊接界面中未观察到反应物形成，但是界面处存在Ti的偏聚。然而，在420℃保温30min的样品中，发现焊接界面处不连续地形成TiC、Ti5Si3和TiSi2。通过计算Ti在SiC表面的粘附功，推测Ti在SiC/Sn35Ag4Ti（Ce，Ga）界面的化学吸附可以使得实现连接，无论焊接表面是否形成界面反应层。焊接温度420℃的焊接样品的剪切强度高于焊接温度250℃的剪切强度。这表明，反应产物的形成对于在SiC和Sn35Ag4Ti（Ce，Ga）之间获得更可靠的结合起着关键作用，虽然这不是以合理强度实现粘合的必要条件。界面断裂是由混合断裂机制引起的。此外，Ti在SiC界面的吸附引起的润湿力可以认为是促使Sn3.5Ag4Ti(Ce,Ga)焊料液体在SiC表面上润湿的一种想象力。对该润湿驱动力的估算表明，吸附在固液界面的活性元素在润湿界面热力学平衡中起着重要作用，足以驱动高能液态焊料在SiC表面润湿和扩散。.本项目的研究补充完善了低温活性焊接领域尚未形成统一认识的关于焊接过程中活性元素的扩散、吸附以及界面反应结合的动力学过程分析；同时在还存在较大争议的低温活性焊接的润湿性原理方面提出了一些新见解，这对于推动低温活性焊接材料的发展及焊接方法应用于第三代半导体器件封装都具有重要的科学意义。