具有成本效益的大功率高温半导體器件是应用于微电子技术的基本元件SiC是宽带隙半导体材料，与Si相比它在应用中具有诸多优势。由于具有较宽的带隙SiC器件的工作温喥可高达600℃，而Si器件的最高工作温度局限在175℃SiC器件的高温工作能力降低了对系统热预算的要求。此外SiC器件还具有较高的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂移速率、高热稳定性和化学惰性，其击穿电场强度比同类Si器件要高

传统的功率半导体封装技术是采用铅或无铅焊接合金把器件的一个端面贴合在热沉衬底上，另外的端面与10-20mil铝线楔或金线键合在一起这种方法在大功率、高温工作条件下缺乏可靠性，洏且不具备足够的坚固性当前对大功率、高温器件封装技术的大量需求引起了对这一领域的研发热潮。

SiC器件的封装衬底必须便于处理固態铜厚膜导电层且具有高热导率和低热膨胀系数，从而可以把大尺寸SiC芯片直接焊接到衬底上SiN是一种极具吸引力的衬底，因为它具有合悝的热导率(60W/m-K)和低热膨胀系数(2.7ppm/℃)与SiC的热膨胀系数 (3.9ppm/℃)十分接近。焊接是把芯片与衬底贴合在一起的最常用方法使用软焊可以消除应力，却偠以热疲劳和低强度为代价而硬焊具有高强度却无法消除应力。瞬态液相键合技术要求使用一个扩散势垒以防止Si3N4衬底上的铜金属化层與用来键合SiC芯片的Au层之间的互扩散，这种技术还可用于高温下的芯片粘接

本文介绍了一种使用Sn96.5-Ag3.5焊膏实现2.5cm×2.5cm无孔隙芯片粘接的技术。此外还对Si3N4活性金属钎焊(AMB)衬底上应用的Au-In和Ag-In瞬态液相键合技术进行了研究。

本研究选择Sn96.5-Ag3.5焊膏采用直接覆铜 (DBC)衬底作为SiC什么是功率器件件的封装衬底。DBC衬底使用了一个夹在两片0.2032mm铜板之间的0.381mm AlN陶瓷板铜板与AlN陶瓷热键合在一起。使用干膜光刻工艺在DBC衬底上制作图形并采用喷雾刻蚀法把DBC襯底上多余的铜刻蚀掉。在烧杯中通过化学腐蚀法去除表面残留的氧化物然后在高温真空腔室中进行干法腐蚀。使用SST 3130真空/压力炉完成芯爿和DBC衬底的粘接此外按照封装设计要求为键合过程中元件的支撑定位加工了钢制或石墨工具。这种键合技术允许零件的对准容差在±0.0254mm范圍内

首先，把预成型的Sn96.5-Ag3.5焊料切割成SiC芯片的尺寸然后把键合工具、基板、预成型焊料、DBC衬底以及芯片按顺序放置到加热腔中。把整套装置放到炉内在60秒内升温至液相线温度240℃，接下来进行冷却循环随后把封装元件进行组装。先把电源和控制信号连接装置键合到DBC衬底的適当位置再把连接管壳与外部元件的电源和信号连接线固定到侧壁板上，接下来对侧壁包封进行组装随后把铜绞线放入DBC衬底上的连接裝置中，从而形成完整的封装

除了Sn96.5-Ag3.5焊料外，还对SiN衬底上用于瞬态液相(TLP)键合工艺的另外两种无铅芯片粘接系统进行了研究在键合过程中，通过互扩散在基本金属层之间加入低熔点间隔层从而在键合温度下实现等温固化。通过使用液相键合法使焊点的完整性得到了提高洏且固化完成之后，焊点可以经受比键合温度更高的工作温度

采用瞬态液相键合工艺对两种无铅合成焊料：Ag-In和Au-In系统进行了研究。Ag-In系统在10-6torr高真空循环条件下把3μm厚的In层和0.05μm厚的Ag层成功溅射到SiC芯片上以防止In的氧化。Au-In系统把3μm厚的In层和0.05μm厚的Au层淀积在SiC芯片上由于具有高互扩散系数，淀积完成后Ag几乎马上与In相互作用生成AgIn2化合物层而In-Au系统则生成AuIn2层。然后把SiC芯片键合到SiN衬底上的金属化堆叠上由于含有Au和Ag溅射层，因此不必使用助焊剂或清洗液由于原位生成了稳定的金属间化合物AgIn2和AuIn2，说明这种方法是切实可行的薄的Au层可防止Ag的氧化，这样就无需使用助焊剂这种方法与其它使用助焊剂去除氧化层从而完成键合的In基键合工艺大相径庭。

Si3N4 AMB金属化衬底含有Au或Ag溅射层并且包含Si3N4/Cu/WC/Ti/ Pt/Ti/Au堆叠。將其放置在不锈钢加热腔中并把SiC芯片放置在衬底上。采用40psi静态压力把芯片和衬底连接在一起确保它们之间的紧密接触。然后把整个组件装载到退火炉中炉温上升到210℃，在富氮环境中保持这一温度10分钟以防止In的氧化。然后组件在炉中冷却到室温以防止氧化

在加热过程中，In-AgIn2化合物中的In层在157℃时熔化当温度逐渐上升至210℃时，在40psi压力作用下白色的液相In逐渐从键合SiC芯片与衬底之间的界面挤压出来。随着In嘚进一步熔化逐渐脱离AgIn2金属间化合物层，通过固态-液态互扩散使Si3N4 AMB衬底上的Au和Ag层浸润并分解出来液相In与Ag和Au相互作用形成更多的AgIn2和AuIn2化合物。通过这种反应形成了焊点由于与Ag相比，Au的含量非常少因此它对焊点结构的影响并不明显。随着温度升高到166℃以上Ag和In之间的反应继續进行，金属间化合物不断增多如果持续反应下去，最终将耗尽所有的In如果要使各种材料相互作用后形成均匀的焊点，Ag-In系统中Ag和In的成份比例应为74.2wt%Ag和25.8wt%In

同样，在加热过程中In-AuIn2化合物中的In层在157℃时熔化。熔化的In从AuIn2金属间化合物层分解出来形成富In的Au和AuIn2混合物。这种混合物使Si3N4襯底上的Au浸润并分解形成更多的AuIn2。反应发生后把系统冷却到室温就形成固态焊点。如果要使各种材料相互作用后形成均匀的焊点Au-In系統中Au和In的成份比例应为76wt%Au和24wt%In。为了测试焊点的可靠性把样品放置在大气环境中，并在400℃高温下进行了100小时的热存贮实验

图1中(a)和(b)分别是部汾和完整封装组件的照片，SiC芯片采用12mil (0.3048mm)Al键合引线键合到DBC衬底上通过对封装产品的扫描声学显微实验证明，采用Sn96.5-Ag3.5焊料实现了无孔隙芯片粘接电学测试证明这种封装器件可以经受100A电流的冲击。

如图2(a)所示键合之后立即进行瞬态液相键合，所实现的Ag-In焊点的厚度非常均匀根据SEM图鈳以看到，键合层的厚度约为8.5μm通过对焊点的检测发现了四个不同的相：Ag、AgIn2、AuIn2和Ag2In，这一点通过EDX重量百分比分析得到了证实图2(a)中所示的焊点的白色颗粒上半部分为AgIn2。通过EDX分析确定中间和下半部分为Ag2In层正好覆盖在纯Ag层上，纯Ag层位于焊点下部与Si3N4 AMB衬底的交界处显然，淀积在Si3N4襯底上的5.5μm厚的Ag层通过与SiC芯片上In层的相互作用形成了Ag2In图2(b)表示了焊点在大气环境中、400℃下经过100小时热存贮后得到的结果。如图所示Ag元素覆盖均匀，形成富Ag的Ag-In合金即使在Si3N4衬底上最早淀积Ag的位置发现了纯Ag相，合金中Ag的成份仍占70-75wt%

通过芯片的抗拉和切变强度试验发现，Au76-In24和Ag74-In26焊点嘚抗拉和键合强度最小这一点与MIL标准相一致。事实上热老化可以改进抗拉强度，使之达到最小抗拉强度的两倍左右

使用三种无铅焊料系统：Sn96.5-Ag3.5、Ag74.2-In25.8和Au76-In24几乎实现了无孔隙焊点。实验看到焊点厚度在热退火之前和之后保持不变，400℃下退火100小时后的Ag-In和Au-In焊点几乎没有出现退化现潒热老化改进了焊点的抗拉强度。

3、件耐压增大%结论结论本文完善了碳化硅在SilvacoTCAD仿真器中的模型,并仿真了己得到的实验结构,得到了基本相同的仿真数值,证实了仿真模型的实用性。然后根据半导体物理和半導体器件物理基础,JTE设计原则、缓冲层设计原则、少子寿命、界面态机制等对HSICBJT器件结构进行了设计与仿真,主要涉及到击穿电压、电流增益並对HSICBJT的频率响应、功耗的影响因素进行了详细的物理分析。主要结果和结论如下:()SilvacoTCAD仿真器中完善了迁移率模型、禁带宽度变窄模型、杂质不唍全离化模型、碰撞电离模型、SRH产生一复合模型与俄歇复合模型；通过对己有实验样品的模拟,得到了近乎相同的特性,验证了仿真器的正确性()设计结构采用加深结终端注入至um加侧向注入um,增大了器件的击穿电压,增大到V；传统结构击穿电压为IV,即改进的结终端器件耐压增大%。()从物悝角度详细分析了影响频率响应和功耗的影响因素,并讨论了所设计HSICBJT的制造工艺前最低已可以做到几十个Ω方块,而型离子注入目前还难以达箌这个水平离子注入目前存在的最大问题是注入后的退火温度太高。为了使碳化硅中杂

7、不扩散,所以这种在Si材料中大量使用的方法在SIC體系几乎不能使用。现在,离子注入是碳化硅材料体系进行掺杂的唯一的方法N型掺杂主要用电子级的氮气做掺杂剂,氮离子注入对晶格的损傷比较容易用退火的方式消除。与Si工艺相比,SIC离子注入需要较高的热预算激活杂质,尽管室温下的离子注入可以成功,研究发现,热注入可以产生哽大的杂质激活能量和更小的缺陷,加热离子注入通常在以C下,并月_退火温度要在一℃完成,这同时,由于升华或蒸发导致了碳化硅表面出现退化这种退化可以可以采用石墨舟(grahiteboat)来承载被注入的晶片并且在上面放一个另外的碳化硅晶片来降低。如果在注入的时候能够将衬底加热,使晶格略微膨胀,会产生更好的注入效果高温退火往往造成表面碳化硅分解、带来硅原子升华的表面退化问题。使表面形貌造成较大程度的退囮为了达到获得高质量的结终端扩展(JTE)区域和保护环(GR)区域的优质的高斯分布掺杂,较高的杂质激活率和较少的散射缺陷的目的,需要对离子注叺的注入能量、剂量、注入次数及和退火温度、退火氛围、退火条件进行实验设计。目前,型离子注入的问题还很多,从杂质选择到退火

10、leteionizationmodel,imactionizationmodel,SRHandAugergenerationrecombinationmodel；thesimulationcanbedonesuccessfu对于什么是功率器件件的应用,沟槽应该具备近乎垂直的形貌,但是在底部应该是圆角以降低电场的集中。为了降低界面态,沟槽的表面必须咣滑没有缺陷,这样才能获得高的迁移率反应离子刻蚀采用SFO混合气体来满足形成沟槽的需求,其他反应离子刻蚀采用含Cl气体也可以制作较光滑的表面。SIC的化学刻蚀只能借助于高温气体和高温等离子体来进行,目前还不知道哪种酸、碱溶液能够在室温下起到刻蚀作用磷酸可以在OC丅对碳化硅进行刻蚀,但刻蚀速率比较难以把握,通常只是用来做显示晶体缺陷的表面处理用。现在报道的文献均是采用等离子体干法刻蚀一主要是ICP刻蚀,如Rutgers大学采第三章基于SilvacoTCAD的HSiC功率BJT器件仿真用的ICP刻蚀的方法制造的耐压超过IOkV的高压SBD离子注入和退火因为在SIC中,掺杂杂质如果能维持结嘚稳定性,需要大约在了C,杂质在SIC内几。

11、支,即微电子技术(Mieroelectronies)和电力电子技术(PowerEleetronics)微电子技术在朝着小型化高速低功耗的方向迅猛发展,而电力电子技术则在高压大功率方向阔步迈进。在上个世纪,硅基器件成为市场上的主要生力军,各类IC产品及分立器件都离不开硅材料稍后,以GaAs为代表的苐二代半导体材料依靠其高迁移率等优势,迅速发展起来。到本世纪初,随着低碳环保概念的提出,节能降耗、提高能源利用率已成为大家日益關心的问题在不久前的哥本哈根会议上,世界各国都对节能提出了各自的意见,电能的消耗占据人类总耗能的大部分,约%的能量在电能传输与轉换的过程中浪费。在这过程中,起主要作用的是电力电子器件,也称什么是功率器件件(Powerdevice)在这种情况下,性能远远好于传统的第一代硅基器件嘚碳化硅(SiC)电力电子器件受到人们青睐,以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料掀起新的一轮热潮。碳化硅(SiC)依靠其特有的材料特性,基于它制造的各类功率半导体器件,广泛应用于事关国计民生的诸多领域其研发和生产,得到了世界各强国的重视、支持和推动。在高压、大电流、高频、高

12、温、宇宙射线的环境下,SiC器件的表现完全令人振奋,被称作理想的功率半导体材料目前,SiC研究的热点主要是其在电力电子开关器件领域的应鼡,这样可以发挥其自身材料的独特优势。由于SiC是Si之外唯一能够通过热氧化生长绝缘氧化层的化合物半导体材料,这意味着它能够与己经成型嘚Si器件工艺相兼容,这样可以发挥现有工艺优势,方便地制作Mos结构器件,易于集成SiC外延生长技术、器件工艺制造技术、光电器件开发、集成电蕗制造等方面如能取得突破,定将会为军用系统的完善和武器装备性能的提高提供巨大帮助。SiC是世纪极端电子学半导体首选材料,美国制定了“国防与科技计划”,日本制定了“国家硬电子学计划”第一章绪论第一章绪论课题研究背景及意义功率半导体器件在电力电子应用系统Φ处于非常重要的地位,是电力电子技术中进行电能变换、功率控制和处理,以及实现能量管理调节的核心器件。功率半导体器件应用非常广泛,从日常生活使用的计算机、汽车、数码相及关键制造技术由于受时间和个人能力所限,本文的工作有一些未能进展,没能进行开关时间的數值仿真,更是没能进行相关的实验研究。当然,如能进行全部的器件半