半导体焊接为什还用高铅

对于功率半导体器件，芯片焊接材料必须在这些器件工作的较高温度下能够保持可靠焊接，同时为工作中的器件提供一个高导热的散热路径。如果芯片粘接材料能够承受比高铅焊料更高的工作温度，这将意味着它在宽禁带半导体器件如SiC功率二极管和晶体管应用中会有优势。由于更高的热导率、更高的击穿电压和更高的饱和载流子速度，SiC器件的功率密度可以实现大幅度增长。更宽禁带的SiC允许更高的结温，而不影响性能[1]。高铅焊料的传统冶金替代品如金锡共晶合金，有较高的作业温度，超过了半导体可以容忍的性能不退化温度；另一种替代品为填银的环氧树脂，但是这种环氧树脂又存在热导率不够的问题，不能保持芯片以最高效率工作所需的温度[1,2]。纳米颗粒具有较高的表面活性，这意味着将会有比块状银熔点961.8 ℃更低的熔点（图1），例如2.4 nm银子熔点为350 ℃[3]。这样的粒子外层在较低的温度下有类似于熔融状态的移动性，使它们在远低于传统的银粉烧结所需温度下，通过润湿和扩散彼此结合或与其他兼容材料相结合。虽然烧结过程中施加外部压力增加了粒子的接触面积，但是在纳米银粒子烧结中这并不是必须的。即使温度低于回流高铅焊料的温度，银表面的移动原子所产生的毛细管作用力也足以保证相邻粒子接触的润湿力。由于银比焊料具有更高的强度，实现本应用中所需的强度不要求高密度银。事实上，多孔结构较低的d性模量有利于减小热循环过程中由于热膨胀系数差异产生的芯片应力。当正确配制时，基于纳米银粒子的焊膏可在高铅焊料所要求的类似温度和更低的温度范围内形成可靠焊点。纳米银将高活性的纳米银粒子递送到焊接区域，并使其结合形成一个满足电气和热导率要求的结构强健的焊点，还是有许多挑战的。

现代集成电路的工艺大致是这样的：矿物——单晶硅晶体（圆柱体）——单晶硅晶体切片——打磨抛光——镀导电层、绝缘层——激光蚀刻电子元件——打磨掉多余半导体材料——焊接引脚封装。晶体管实际上就是利用半导体材料（单晶硅）的材料特性，使电流通过时产生放大、单向通过等等一系列的电效应。通过激光蚀刻单晶硅，便形成三极管、二极管等等微小的电子元件。电子元件的尺寸决定于激光束的粗细和控制精度。激光束越细、控制精度越高，那么电子元件的集成度越高，单位面积的电子元件数量越多。单晶硅晶体的粗细决定了生产效率，批量生产其直径最大已经能做到12英寸，那么一张晶元上同时能生产的芯片数量越多，生产成本就越低。除去研发费用，这就是为什么芯片价格越来越便宜。

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