关于有压烧结银材料及其印刷工艺

1. 第三代半导体发展对互连材料的新要求

以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代宽禁带半导体材料，以及系统层面的银烧结工艺的应用，显著提升器件的工作频率、效率和功率密度。同时，其在芯片与基板之间，以及模块和散热器的互连材料，成为决定整个系统可靠性的关键环节。传统的锡铅焊料或无铅焊料，其热导率普遍低于60 W/(m·K)，在高温环境下易发生蠕变、空洞聚集和界面金属间化合物（IMC）过度生长，严重影响长期服役可靠性。烧结银膏作为一种高可靠性互连解决方案，通过亚微米银颗粒在低于银熔点的温度下发生固态扩散，形成多孔但致密的银连接层。不仅具备接近纯银的热导率（200-300 W/(m·K)），而且拥有高达961℃的等效熔点，能够在200℃以上的高温环境中长期稳定工作。因此，烧结银膏成为第三代半导体应用领域补齐水桶短板的关键技术。

2. 烧结银膏的基本原理与分类

烧结是粉末材料在低于其熔点的温度下，通过原子扩散形成致密体的过程。烧结银膏的烧结机制主要为表面扩散和晶界扩散 。根据烧结时是否需要外部施加压力，烧结银膏主要分为两大类：有压烧结银膏和无压烧结银膏。

3. 有压烧结银膏的典型工艺流程，印刷质量判断与常见问题

目前，有压烧结典型应用流程为：银膏印刷→烘干→芯片热帖→有压烧结，四个步骤。

其中印刷作为重要环节之一，印刷质量的核心指标包括：表面平整度、边缘一致性、无麻点或凹陷，以及“狗耳朵”（dog-ear）现象的控制。“狗耳朵”指银膏在印刷收刀端，因脱模不畅形成的局部堆积（如图2）。实际应用中，常出现麻点、凹痕、“狗耳朵”偏高等问题，需从设计、设备、材料等多方面进行系统性优化。

图1

典型芯片级产品的印刷形貌如图2和3所示。由于银膏特别的流变性，在印刷收刀端易因脱模困难形成局部堆积，即“狗耳朵”现象。该现象具有可重复性，不随印刷次数或方向改变而消除。

以100 μm钢网为例，“狗耳朵”高度（Hd）通常控制在30 μm以内；而印刷起始端则可能出现轻微坡度。实际测量中，银膏厚度（T）应取“平坦区域“的平均值，避免取边缘高点或低点，以确保数据代表性。对于100 μm钢网，典型印刷厚度（T）为70–90 μm。

图2

图3

4. 影响银膏印刷质量的五大关键因素

影响银膏印刷质量的关键要素，通常包括：产品设计，印刷机设备精度，钢网&刮刀，印刷参数，以及银膏材料。

4.1 产品设计

产品设计直接影响印刷过程中的钢网贴合与支撑稳定性：

• 芯片布局密度

芯片间距过小（如小于2 mm）会导致钢网“过桥”区域过窄，降低钢网局部刚性，影响与基板的贴合，增加溢胶风险。

• 边缘与沟槽距离

当芯片靠近基板边缘或存在深沟槽结构时，局部支撑不足，钢网易变形，导致贴合不均，引发银膏溢出、厚度不均等问题。在一些案例中，我们对比了不同产品，在同样的设备及工艺条件下，其印刷质量却非常不同，如图4。

• 芯片尺寸

最显著的差异是，大尺寸芯片工艺中，“狗耳朵”影响相对较小，而在系统级烧结工艺中几乎可忽略。小尺寸芯片工艺中，“狗耳朵”相对尺寸更大，影响也相对更大，如图4。

图4

4.2 印刷设备精度

是保障高质量印刷的前提，主要包括：

• 钢网与基板的平行度：必须精确调整，确保两者在整个印刷区域内均匀接触。
• 顶升高度控制：理想状态是钢网与基板“刚好接触”，既不过高（导致钢网鼓起，形似“蒙古包”），也不过低（形成间隙，引发漏印或厚度不均）。

在一些案例中，我们看到经过良好设备校准的印刷设备，呈现出明显更好的印刷质量。

需特别强调：银膏与锡膏在物理特性上存在本质差异。银膏粘度更低、银颗粒更细（通常为亚微米级）、不具备流变恢复能力。因此，不能直接套用锡膏的印刷经验，否则极易导致溢胶、厚度失控等问题。

图5

4.3 钢网&刮刀

• 钢网

钢网厚度：直接影响银膏涂覆量。

- 芯片级烧结：推荐80–120 μm

- 系统级大面积烧结：推荐350–500 μm

过厚易造成贴片时银膏溢出；过薄则影响热传导与机械强度及可靠性。

阶梯钢网：推荐阶梯钢网的开口设计，将对抑制“狗耳朵”以及改善印刷成型有显著效果。

疏水性纳米涂层：在钢网表面施加疏水性纳米涂层，可显著降低膏体粘附，提高脱模性和印刷一致性。贺利氏mAgic系列银膏在使用这种涂层钢网的情况下，可实现最高8小时的连续印刷。

钢网张力：>35 N/cm，确保印刷过程中无变形或偏移。

• 刮刀

不同于锡膏印刷，银膏印刷在刮刀的选型上，需要注意尽量减少刮刀片在印刷中的变形。

4.4 印刷参数

关于推荐的印刷参数设置：

印刷压力：结合前文分析，低压力搭配适当的印刷刮刀，有助于控制“狗耳朵”与厚度均匀性。

印刷速度：较低速度有利于银膏充分填充网孔，提升表面平整度，并减少“狗耳朵”形成。

印刷模式：推荐采用“往复印刷（双向往返）“，相比单次印刷，能显著提高边角填充效果和整体一致性。

4.5 银膏材料

银膏材料本身的性能是决定印刷质量的根本因素之一。高性能银膏需具备良好的印刷性、批次稳定性与烧结一致性。这些特性依赖于原材料选择与精密生产工艺。国际领先厂商凭借成熟的技术积累、广泛的行业验证和强大的技术支持体系，往往能够为客户提供从研发到量产的全流程保障。

以“粘度“为例，其在印刷操作性方面，对溢胶及印刷表面平整度产生影响，也在一定程度上影响到烧结后的强度。：

- 粘度过低：易导致溢胶问题；

- 粘度过高：可能造成表面不平整或填充不足问题；

- 但在烧结后机械强度表现方面，较高粘度，又有一定程度的提升。

因此，应综合评估粘度对“印刷性“与”最终性能“的影响，平衡各方面优劣得失（如图5），选择最适配各自具体产品的材料。

例如，贺利氏（Heraeus）基于大量应用数据，建立了精准的材料性能指标体系，可为用户提供成熟的产品选型与工艺建议。

图6

5. 展望

综上所述，烧结银膏的印刷工艺是功率模块封装中的关键环节。通过优化钢网设计、印刷参数及银膏材料性能，可实现高可靠性互连，满足第三代半导体对高功率密度与高温稳定性的严苛要求。

德国贺利氏电子（Heraeus Electronics）作为全球领先的电子材料供应商，其mAgic系列烧结银膏在行业中享有盛誉，代表了当前烧结银技术的先进水平。该系列产品专为功率模块封装设计，支持有压与无压烧结工艺，具备优异的热导率、机械强度与工艺适应性。

mAgic系列针对不同应用场景提供完整解决方案：

• 芯片级烧结产品

-mAgic PE043：适用于金、银界面的芯片级烧结，广泛用于Si、SiC、GaN器件。

-mAgic PE338：兼容金、银、铜等多种界面，适用性更广。

该系列产品支持多种涂敷方式（钢网印刷、丝网印刷、点胶），已在国内外众多领先客户中实现量产应用，是经过充分市场验证的成熟方案。

• 系统级大面积烧结产品

-mAgic PE360、PE350：专为系统级大面积烧结设计，适用于功率模块与散热器或基板之间的连接。

其可显著降低系统热阻，突破散热瓶颈，是高功率密度、高热负荷应用的理想解决方案。

稿件来源：关于有压烧结银材料及其印刷工艺—— 贺利氏电子技术（苏州）有限公司 罗金涛

先进封装设备类似前道晶圆制造设备，供应商受益先进封测产业增长。随着先进封装的发展，Bumping(凸块)、Flip(倒装) 、TSV 和 RDL(重布线)等新的连接形式所需要用到的设备也越先进。以长球凸点为例，主要的工艺流程为预清洗、UBM、淀积、光刻、焊料 电镀、去胶、刻蚀、清洗、检测等，因此所需要的设备包括清洗机、PVD 设备、光刻机、 刻蚀机、电镀设备、清洗机等，材料需要包括光刻胶、显影剂、刻蚀液、清洗液等。为促进行业发展，互通有无，欢迎芯片设计、晶圆制造、装备、材料等产业链上下游加入艾邦半导体先进封装产业链交流群。