摘 要：
随着功率半导体封装技术的发展，厚膜混合集成的集成密度越来越高，线宽线间距越来越小，厚膜导体与焊盘大部分为银，特征尺寸的缩小势必会带来银迁移和可靠性的问题。研究通过光刻和溅射的方式，在厚膜陶瓷基板上沉积多种薄膜膜层形成复合膜层，改善其面向微组装场景的适用性和抗氧化性。设计试验研究厚薄膜复合膜层的结合强度与可靠性，制备出 Ti/Pt/Au、WTi/Au 和Au 3 种不同体系薄膜与厚膜结合的复合膜层，在其上进行不同种焊料、不同焊接时间的焊接试验和键合强度评价，对焊接样品进行 GJB 2438B—2017《混合集成电路通用规范》要求的 QML 分组考核，结果表明厚膜银导体与薄膜 Ti/Pt/Au 或纯 Au 之间的结合力表现优良，可以同时满足混合集成电路焊接、键合与可靠性需求，为厚膜高密度混合集成提供可行的膜层处理方法。
0 引言
随着 SiC、GaN 功率半导体技术的发展，厚膜混合集成电路的功率密度和组装密度越来越高，厚膜陶瓷基板逐渐向窄线宽、细间距的方向发展[1-6]。为适应 SiC、GaN 功率芯片和其驱动芯片的高集成、低寄生封装要求，无引线键合工艺成为当前研究的重点，传统的厚膜陶瓷基板无法满足该工艺要求的高分辨率要求，为此学者们提出了多种高密度混合基板解决措施[7-8]。柴昭尔等[9]通过对高密度LTCC 基板线条印制和表层薄膜技术工艺进行研究，制备出基于 LTCC 的厚薄膜精细化线条基板。陈寰贝等[10]在氮化铝多层 HTCC 基板表层抛光后进行薄膜布线，实现 HTCC 基板通孔钨金属与薄膜互联。王之巍等[11]采用 3D 打印和激光烧结技术进行厚膜导体和介质的制备，研究了 3D 直写膜层与陶瓷基板的结合机理。陈轶群等[12]采用激光直写法进行窄线条的厚膜图形制备，研究了多种工艺参数对导体线宽的影响，制备出的导体最小线宽达到 30 μm。上述研究通过介质叠烧、浆料充填等技术实现多层布线，表层区域的局部线宽线间距可以突破 50 μm，甚至 20 μm，但对于厚膜工艺来说，其膜导体与焊盘基本为银材质，具有传输阻抗低和成本低的优势，但膜层内部易产生烧结微孔，表面粗糙度大，水汽、腐蚀性粒子极易沿孔隙侵入膜层内部，天然存在抗氧化性不佳的劣势，且特征尺寸的缩小势必会带来银迁移和可靠性的问题。前面学者的研究侧重于陶瓷基板的线条精细化制备与设计[13-15]，缺乏对厚膜裸露焊盘的保护措施以及对厚薄膜复合膜层可靠性的揭示。
本文以厚膜银导体为基底，利用光刻和溅射工艺在其表面制备出 Ti/Pt/Au、WTi/Au、Au 3 种薄膜金属化层形成厚薄膜复合膜系，通过微观表征、强度测试及环境考核，探究不同复合膜层的界面结合机理、焊接扩散行为及环境可靠性差异。
1 试验过程
1.1 厚薄膜复合膜层制备
厚膜陶瓷基片采用 2 英寸 Al2O3材质，基片厚度 0.635 mm，在其上整面印制厚膜银浆料，银厚度 25~30 μm，印制区域为 40mm×40 mm。基片薄膜成膜前进行返烧处理，去除表层氧化物，返烧后在酒精中进行超声波清洗15 min，接着进行 Ar 等离子清洗。清洗后进行基板光刻，利用磁控溅射工艺在厚膜银表面成膜一层薄膜金，厚薄膜复合膜层结构示意图如图 1 所示。薄膜金体系为 Ti 0.1 μm/Pt 0.2 μm/Au、Wti 0.2 μm/Au 和纯 Au 3 种，Ti/Pt/Au膜系中，Ti 为黏附打底金属，厚度选取 0.1 μm 即可形成连续致密薄膜；Pt 层作为扩散阻挡层，可有效抑制 Ti与 Au 层间的元素互扩散，0.2 μm 为稳定可靠的常用厚度。对于 WTi/Au 膜系，WTi 兼具黏附打底与扩散阻隔双重作用，合适厚度为 0.2 μm。上述 Ti、Pt、WTi 各功能层厚度均为磁控溅射工艺制备薄膜的常用厚度。为满足焊接和键合需求，3 种膜层中的 Au 厚均为 0.5 μm，最后对不同膜层基板进行划片分切用于后续试验。
1.2 厚薄膜复合膜层焊接样品制备
在 Ti/Pt/Au、WTi/Au、Au 3 种不同膜系的厚薄膜复合膜层基板和作为参照样的银基板上进行 25 μm 金丝键合试验，每块基板键合 20 根金丝进行键合强度和推球强度评价。
厚薄膜复合膜层焊接样品如图 2 所示，在不同膜系的单块基板上焊接尺寸为 1mm×1 mm 的 Cu 过渡片进行焊接强度评价。厚薄膜复合膜层焊接样品参数表如表 1 所示，为覆盖不同焊接梯度的焊接效果，焊料根据低温到高温选择常用的Sn62Pb36Ag2、Sn96.5Ag3Cu0.5 和Pb92.5Sn5Ag2.5 焊料，熔点分别为 179 ℃、217℃、296 ℃，为了验证出每组膜层不同焊料下的焊接表现，不同水平样品分组和焊接参数按照表 1 进行设置，每组样品焊接至少 2 个过渡片，样品焊接后进行 X 射线照相，确保焊透率达到 75%以上。焊接后对样品进行入壳封装，封装后进行环境适应性考核，焊接样品按照 GJB 2438B—2017《混合集成电路通用规范》规定的 QML 分组考核，具体考核条件如表 2 所示。
1.3 厚薄膜复合膜层微观样品制备
为了对厚薄膜复合膜层的结合机理进行分析，对不同膜系的厚薄膜复合膜层基板进行膜层剖面的扫描电镜观察，关注薄膜在厚膜金属化层上的金属扩散情况。进一步地，为探究厚薄膜复合膜层的焊接反应机理，对焊接样品进行剖面样品制备与扫描电镜观察，关注焊接 IMC 层的生长演变情况。
2 结果与分析
2.1 厚薄膜复合膜层键合强度
对不同厚薄膜复合膜层基板进行金丝键合拉力和金球推力测试，除了上述的 Ti/Pt/Au、WTi/Au 和 Au 三种复合膜系外，增加 Ag 层作为对比参照样，不同复合膜层的键合拉力和金球推力测试结果如图 3 所示，厚膜银膜层和三种复合膜系的键合拉力和推力均满足 GJB548C-2021 方法 2011.2 规定的 25 μm 金丝对应要求，金丝键合本质是金球与表面金界面的原子互扩散过程，在Ti/Pt/Au、WTi/Au 和 Au 三种膜系的金层厚度足够且一致的情况下（本文金厚为 0.5 μm），其复合膜层的元素差异对键合强度的影响不大，键合平均拉力和金球平均推力相差较小。不同膜层的键合数据统计结果如表 3 所示，从键合拉力与推力的数据方差值可以发现，复合膜层的数据一致性较厚膜均有不同程度的提高，说明复合膜层的薄膜金一致性较高。虽然金银元素之间可以无限固溶扩散，但银膜层的金丝键合强度均值还是略低于三个复合膜层，这说明在某些应用场合下，本文采用的厚薄膜复合膜层结构可以有效提高银导体的键合强度，相比于厚膜金印制工艺来说，其成本优势较为明显。
2.2 厚薄膜复合膜层焊接强度
上文对不同厚薄膜复合膜层焊接样品进行了稳循、机冲、恒加、随机振动等试验，在试验过程中发现 WTi/Au膜系的复合膜层在进行机械冲击项目时，部分样品试验未通过，对问题样品进行开盖检查。WTi/Au 复合膜层焊接样品脱落形貌如图 4 所示，当焊接峰值温度的时间超过 2 min 后，铜过渡片均有不同程度的脱落现象，对余下未脱落的焊接样品进行剪切强度试验。对余下的 WTi/Au、Ti/Pt/Au 和Au 复合膜层样品每组抽取 4～5 只过渡片进行剪切试验，计算每组的平均剪切力，可以发现 Ti/Pt/Au 和 Au 复合膜层的剪切强度满足 GJB 548C—2021 方法 2019.3 要求的 2 倍判据，即按照 1mm×1 mm 焊接器件的投影面积计算，剪切力数值＞12 N，对应图中红线标注的位置，而 WTi/Au 样品的平均剪切强度均低于 GJB 548C 方法 2019.3 要求，为了探究造成该现象的原因，对脱落后的 WTi/Au 样品表面进行元素扫描，脱落界面 SEM 照片如下图 5 所示，发现过渡片与基板的焊接部位边界不齐整，存在明显的偏移现象，这是界面不浸润的典型表现。对残留在基板焊接部位上的物质进行面扫分析，发现整面为 WTi 叠加部分的 Ag 元素，未发现SnPbAg、Au 及其焊接产物，我们知道 Au 极易与含锡焊料反应，说明复合膜层与焊料发生反应后，薄膜金完全融入焊料中形成焊接产物，该产物被剪切带走，随着时间的延长，Au 反应完毕后，焊料继续与 WTi 层接触，但 WTi 层与 Sn 之间反应程度很低，随着冲击载荷持续作用，WTi膜层与 Sn 之间产生相对滑移：初始阶段为局部微观滑移，破坏界面冶金结合点；滑移范围逐步扩大后，形成连续的界面滑移带，彻底割裂 WTi 层与 Sn 的结合界面；最终在应力持续作用下，滑移带贯通整个受力区域，导致过渡片在 WTi/Au 复合膜层上滑移或脱落，无法形成有效结合。
对不同分组下的复合膜层样品进行剪切试验，每组试验取五颗样品进行剪切，以 5 个测试数据的平均值作为该膜系的平均剪切力，各组样品平均剪切力如图 6 所示，图中红色横线为国军标 GJB 548C—2021 规定的焊点剪切强度合格阈值。采用 WTi/Au 复合膜层的所有试样剪切强度均低于该标准限值或处于临界合格状态，由此表明该膜层体系难以满足焊接力学性能要求，不适用于厚薄膜基板复合膜层的制备与焊接。相较于不同的膜层基板，Pb92.5Sn5Ag2.5 焊料的焊接剪切力明显低于其他两款 Sn62Pb36Ag2 和 Sn96.5Ag3Cu0.5 焊料，剪切力数值普遍低于一倍以上，说明高温焊料在复合膜层上的焊接结合力较低，但焊接强度依旧满足 GJB 548C 要求。除去剪切力较低的高温焊料和 WTi/Au 复合膜层剪切力不合格样品，发现在 Sn62Pb36Ag2 和 Sn96.5Ag3Cu0.5 焊料焊接下的复合膜层样品，随着焊接时间的增加，剪切强度依然维持在 35-50 N 左右，结合上述的键合强度变化情况，推荐复合膜层的制备优先选取厚膜银+Ti/Pt/Au和 Au 薄膜的体系，该体系下 Sn62Pb36Ag2 和 Sn96.5Ag3Cu0.5焊料更适用于复合膜层的焊接。
2.3 显微结构分析
不同复合膜层的 SEM 照片如图 7 所示，对不同复合膜层的剖面进行 SEM 观察（此处需要说明：所有样品为了实现导电性均进行表面喷铂处理），从元素分布情况可以发现 WTi/Au 和 Ti/Pt/Au 复合膜层的 WTi、Ti 打底层均分布在银层表面，存在明显的过渡界面层，且由于阻挡层的存在，未在银层内部检测到 Au 元素分布，Au 元素均分布在最表层。Au 复合膜层中未见明显分区的带状层，Au 元素呈针状分布在表层，在银层内部 EDS分析中发现有 2.6%的少量Au 元素，在薄膜金区域发现有 29%的 Ag 元素，说明薄膜金与厚膜银发生了互相扩散，且由于二者的浓度差，Ag 元素的扩散速度要快于 Au 元素，导致更多的银分布在薄膜金中。
对不同复合膜层的焊接界面扩散行为进行观察，Ti/Pt/Au 复合膜层的焊接样品剖面 SEM 照片如图 8 所示，发现Ti/Pt/Au 复合膜层在焊接后依旧存在薄膜与厚膜的分界面，同时在面扫结果中发现 Sn、Pb 元素主要分布在厚膜银上方，Ti、Pt、Au 元素呈带状分布在厚膜银与焊料层之间。Au 复合膜层的焊接样品断裂面 SEM 照片如图 9 所示，Au 复合膜层已经不存在明显的厚膜薄膜分界，Sn、Pb 元素与厚膜银的边界也比较模糊，存在相互扩散趋势，焊料与厚膜银之间形成了 Ag3Sn 的金属间化合物，与过渡片之间形成了 Cu6Sn5 的金属间化合物。对Ti/Pt/Au 复合膜层分界面进行元素分析，发现富集大量的 Ti 和 Pt 元素，与焊接前的界面相近。在焊接层继续扫描，发现大量的 Pt 元素，同时有部分的 Sn 元素和 Au 元素，未检测到Ag 元素，说明焊接反应仅发生在 Ti/Pt/Au薄膜层中，底层金属 Ti 依靠高化学活性实现膜层与银基底的结合，中间 Pt 层作为核心阻挡单元，凭借致密 FCC晶体结构与极高的原子扩散激活能，大幅降低 Au、Sn 等原子的扩散速率，焊料与 Au 反应后继续与 Pt 发生反应，但与 Ti 之间是否发生反应尚不明确，需结合断面进行分析。
为了探究 Ti/Pt/Au 复合膜层焊料扩散的程度，对焊接样品的剪切残留面进行 SEM 分析，Au 复合膜层的焊接样品剖面 SEM 照片如图 10 所示，断裂面的成分大部分为 SnPb，其余团状分布的是 SnPb 与 AuPt 的混合物，该混合物即为薄膜层与焊料的 IMC 层，在该 IMC 层中未检测到 Ti 元素，可以发现 Ti/Pt/Au 复合膜层的焊料主要
是与薄膜发生反应，且反应未达到 Ti 金属层，未与厚膜银发生反应，其剪切断裂面处于焊接 IMC 层与焊料连接处附近。Au 复合膜层的焊接样品断裂面 SEM 照片如图 11 所示，观察发现其断面成分与 Ti/Pt/Au 相似，皆由 SnPb焊料与 IMC 层组成，但 Au 复合膜层的IMC 层为 Ag3Sn 化合物，说明其与厚膜银发生了反应，断裂面处于厚膜与焊料的 IMC 与焊料连接处附近。
3 应用验证
本文采用上述的厚薄膜复合膜层技术进行某型信号处理电路的制作，如图 12 所示，通过在厚膜陶瓷基板上进行抛光－清洗－光刻－成膜－去胶操作，制备厚膜+薄膜 Ti/Pt/Au 复合膜层基板，随后在基板上进行元器件贴装和处理芯片高密度键合，组装出的样品电性能测试驱动电压为 5 V，稳定工作电流为 60.3 mA，结果合格，经历 GJB2438 规定的 C 组环境试验后样品内部无损伤、脱落等缺陷，性能测试结果：驱动电压为 5 V，稳定工作电流为 60.1 mA，前后指标变化处于允许误差区间，样品电性能考核合格。
4 结论
本文立足于厚膜印制和薄膜光刻工艺进行复合膜层的制备与应用，对不同种复合膜层进行可靠性研究，通过微观结构分析，揭示复合膜层的结合机制和失效理论，寻找出适合用于混合集成电路的厚薄膜复合膜层及其制备方法，研究发现厚膜银+薄膜 Ti/Pt/Au 或 Au 的复合膜层样品可以耐受 GJB 2438 规定的 QML 考核和金丝键合强度评价，推荐复合膜层的制备优先选取厚膜银+Ti/Pt/Au 或 Au 薄膜的体系，不推荐使用 WTi/Au 用于复合膜层焊接。不同复合膜层的焊接结合机制存在差异，Ti/Pt/Au 复合膜层焊接过程中，表层薄膜中 Pt、Au 与焊料发生反应，界面反应未延伸至底层 Ti 金属；Au 复合膜层中，焊料可穿透表面金层，与下方厚膜银基体发生充分反应形成冶金结合。本研究的复合膜层可以用于实现 SiC、GaN 功率集成电路更好的散热效果、更细的布线宽度和间距。
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