客户案例

研究背景

• 材料特性：碳化硅（SiC）因其宽带隙、高热导率（是硅的三倍）、高击穿场强（是硅的十倍）等特性，被广泛应用于高温、高功率电子器件中。

• 封装挑战：传统封装方法（如焊接）在高温下可靠性差，通常在200°C左右就开始退化，导致器件寿命缩短。此外，焊接材料的氧化问题进一步限制了器件的性能和寿命。

• 现有技术局限性：低温度连接技术（LTJT）虽然有效，但Cu和Ag颗粒容易聚集，且Cu颗粒容易氧化，Ag颗粒成本高且抗电化学迁移能力差。

研究目标

• 提出解决方案：本研究旨在通过直接晶圆键合技术（Direct Wafer Bonding）实现SiC与Cu的高质量键合，以克服传统方法的局限性。

• 性能提升：通过直接键合技术，制备出具有高机械强度和优异热性能的SiC/Cu异质结构，以满足高温、高功率电子器件的需求。

研究内容

1. 样品制备：

• 使用4英寸4H-SiC晶圆和Cu层（通过磁控溅射沉积在硅片上）。
  

• 通过O₂等离子体表面处理激活表面，然后将SiC和Cu晶圆面对面键合。

• 在400°C下真空退火1小时，完成键合过程。

2. 键合质量评估：

• 拉伸测试：测量键合强度，直接键合的SiC/Cu样品拉伸强度达到约57 MPa。

• 电子显微镜表征：使用STEM和EDS技术观察界面原子结构，确认无氧化层且界面质量高。

• 元素分析：通过EELS技术确认界面处无氧化物存在，Cu和SiC之间直接键合。

3. 热性能测试：

• TDTR测试：测量界面热导率（ITC）。

• 热模拟计算：通过分子动力学（MD）模拟验证实验结果。

• 声子测量：分析界面处的声子模式，揭示其对热传输的贡献。

TDTR测试方法

• 原理：TDTR（时间分辨热反射）测试是一种高精度的热导率测量方法，通过泵浦激光加热样品表面，探测激光监测反射率变化来推导热传输特性。

• 实验条件：

• 泵浦激光：波长532 nm，调制频率1 MHz。

• 探测激光：波长1064 nm。

• 样品表面多次测量，以消除不均匀性或污染的影响。

• 计算方法：通过热传输模型和小二乘法拟合实验数据，计算界面热导率（ITC）。

TDTR测试结果

• 界面热导率：直接键合的SiC/Cu界面热导率测量结果为0.128 GW/m²K。

• 与模拟结果对比：MD模拟得到的理想界面热导率为0.28 GW/m²K，实验值约为模拟值的46%，表明实际样品中存在晶格失配、缺陷和多晶结构等影响因素。

• 对比传统方法：传统焊接方法制备的SiC/Cu样品热导率约为0.085 GW/m²K，直接键合技术显著提高了界面热导率。

TDTR测试结果的意义

1. 验证键合质量：

• 高界面热导率表明直接键合技术成功实现了高质量的界面连接，无氧化层且界面结合紧密。

• 直接键合的SiC/Cu界面在热性能上优于传统焊接方法，能够有效降低器件工作温度，提高器件的可靠性和寿命。

2. 指导实际应用：

• TDTR测试结果为SiC/Cu异质结构在高功率芯片封装和三维集成电路中的应用提供了重要数据支持。

• 高界面热导率使得这种结构能够更好地应对高温环境下的热管理挑战，具有广阔的应用前景。

3. 微观机理研究：

• TDTR测试结果结合纳米尺度的声子测量，揭示了界面声子在热传输中的重要作用。界面处的局域模式（Localized Modes, LMs）和部分衰减模式（Partially Decayed Modes, PMs）作为“声子桥”，促进了声子在界面处的传输，这是高界面热导率的关键因素。

研究结论

• 键合质量：通过直接晶圆键合技术成功制备了高质量的SiC/Cu异质结构，界面无氧化层，键合强度高。

• 热性能提升：直接键合的SiC/Cu界面热导率达到0.128 GW/m²K，显著优于传统焊接方法。

• 应用前景：直接键合技术为高功率电子器件的封装提供了新的解决方案，具有优异的机械性能和热性能，适用于高温、高功率应用场景。

• 微观机制：界面声子在热传输中起关键作用，为未来进一步优化界面结构提供了理论基础。