原书前言
七年前，当我撰写第yi篇关于芯片连接的烧结纳米银工艺的评论文章时，我丝毫不会想到我还会编写一本关于该主题以及其他高温芯片连接材料的书，更遑论与来自澳大利亚、中国、日本、马来西亚、英国和美国的一群杰出研究人员进行合作了。更令人惊奇的是，我与这些研究人员中的大多数都未曾谋面，但他们却相信我将编写本书并能够zui终完成。因此，我非常感谢他们为这项先进、高效且环保的键合技术所付出的努力和做出的贡献，以应对当今严苛条件下半导体芯片连接领域的挑战。
本书书名中的关键词是“高温（ high temperature）”和“芯片连接（ die-attach）”。那么，随着近几年宽禁带半导体进入主流制造领域，到底什么才是芯片连接应用中的“高温”呢？
巧合的是，在第 37届国际电子制造技术会议期间，我有幸接待了 Lee 博士（来自 Indium公司），并有幸成为 iNEMI联盟的一员。该联盟在 2017年正好讨论了高温芯片连接这一话题。在为各种定义苦恼了好几个小时后，我决定将“高温”的开放式定义理解为在 200℃以上连续运行的情况，尽管其他人更倾向于认为这一定义取决于高温芯片连接材料的具体应用或市场细分。
为符合欧盟指令，除了耐高温外，芯片连接材料还需要做到无铅化，以在电子产品中使用环保产品。目前，该要求仅在报废车辆的附件 2、8e和 RoHS7a 中得到豁免。但是，如果有替代品可用并且又证明其在技术上作为无铅芯片连接材料可行，则这种豁免可能会被取消。因此，人们便有动力以新的键合材料“垄断”无铅芯片连接材料的市场，但过去的几次大规模测试中，所有尝试均未能取得成功。基于无铅和耐高温的双重要求，DA5芯片连接小组提出了四种主要替代方案，即导电胶、银（金属）烧结、瞬态液相烧结 /键合（ TLPS/TLPB）和焊接。导电胶显然不符合前面提及的连续高温操作的定义，而大多数可用的无铅焊料在 0.5Tm（均一化温度）以上的操作温度下将发生蠕变失效，进而无法在该温度下可靠地工作。因此，因独有的高熔点，以银烧结、铜烧结与瞬态液相烧结为代表的烧结技术在这场高温连接材料竞赛中成为了zui初的赢家。
银烧结技术构成了本书的大部分内容，但并不是因为我个人参与研发了这项技术，而是因为它的可用性，目前已有多家公司在大规模制造的环境中生产具有烧结银的功率模块和发光二极管（ LED）。这种早期的制造经验值得我以单独的一章进行专门介绍，因为制造商们仍然面临着两难境地，即是现在就投资压力烧结设备，还是等待下一代的烧结银膏在连接的可靠性方面取得突破（详见第3章）。此外，因为 LED 的芯片尺寸和接口有独特的烧结要求，所以第2章专门讨论了烧结银在 LED 应用中的使用。
尽管在功率模块或 LED 中有了这些特定的应用要求，银烧结的基本原理依然保持不变。在zui初采用这项技术时，至关重要的一点便是确定烧结和焊接之间的差异之处，详见 1.4节。烧结是一种固态反应，不会经历液体到固体的转变，因而不存在自对准效应。与焊接不同，烧结也没有任何在粘接步骤后返工的可能性。长期接触焊接的工程师们一个常见问题是“烧结银焊点（接头）中金属间化合物（IMC）的形成情况如何？”由于电力电子或模块中的大多数芯片连接粘接界面是银、铜或金，而银可与这三种元素形成固溶体，因此不会产生 IMC。不存在金属间化合物表明粘接可靠，但烧结银微结构固有的“不稳定性”要求在烧结过程中施加压力，这是一个在芯片连接过程中有些“不可思议”的工艺步骤。基于这些一般的科学原理和观察，就可制造性而言，焊接更胜一筹。
除了操作条件外，填充银片的导电胶和烧结银膏本身又有什么区别？虽然一些烧结银膏的配方中加入了聚合树脂，但大多数银膏是纯银填料，添加有黏合剂、溶剂和封端剂。这些银膏配方不会残留任何的助焊剂，因此在粘接过程结束后不需要清洁。亦可将黏合剂添加到这种银膏中，以克服银膏缺乏黏合力和基底特异性烧结的问题，但这通常又会导致热导率的降低。这些银黏合剂还具有与常用导电胶不同的回流曲线，导致掺入的银纳米颗粒在相邻的纳米颗粒与接合界面之间发生烧结。
烧结银不断演变的微观结构和形态值得本书单列一章（详见第6章）来讨论各种机制，包括烧结银中的电迁移；这与电化学迁移不同（详见第5章）。电迁移是金属线内的电子风将原子逐出，产生晶须和空洞，而电化学迁移是指金属离子在相邻金属导体间迁移，zui终形成枝晶。第5章还讨论了在不同机械性能 [即弹性模量、拉伸、剪切、蠕变和疲劳（棘轮效应）强度 ]以及在不同的应力条件下烧结银焊点的其他失效机制，例如机械应力或热应力（如热老化、热循环）和功率循环。常见的工程实践还要求在任何的实际制造之前，先进行电子封装的建模和仿真。这些仿真构成了第4章的基础，该章提供了多种选项和策略，以便从业人员在制造真正的银焊点之前了解烧结银的性能。
除银烧结外，铜是世界各地各团体积极研究的另一种金属，旨在解决烧结银技术中在某些利基市场中出现的“电化学迁移”问题（详见第8章）。几家膏料制造商和“压力烧结”设备制造商也准备好了工艺和设备，将烧结铜作为另一种可能的烧结膏料加入其项目中。
第7章在三种烧结银膏配方的背景下讨论了尚存争议的“同等原则（DOE）”。作者提出了一种“法律拟制”的概念，即侵权产品具有与美国专利中所述相同的配方，并着手进行非文字侵权，即 DOE分析。在典型的 DOE分析中，专利范围可以根据工艺、材料配方或产品中组成部分的功能、方式和结果进行扩展，超出专利权要求的字面含义。
第9章无疑是迄今为止针对芯片连接应用的瞬态液相键合（ TLPB）主题所写的zui全面的一章。 TLPB也称为扩散焊接（由英飞凌技术公司研发），已经被用于大规模制造中利基产品的芯片连接，该章提供了各种信息，涉及科学、动力学以及不同的 TLPS方案，这些都可在工业实践和文献中找到。
第10章由通用电气贝克休斯公司的两名工程师撰写，他们将自己在油田和能源行业应用中的丰富经验和知识浓缩成了简明易懂的文字，介绍了在高温应用中焊料、黏合剂和 TLPB的使用方法。虽然这些黏合剂和焊料在严格意义上可能并不属于我前面提到的定义，但它们仍然应当包括在该章中，以便完成对高温芯片连接材料的讨论。其中，他们谈及了各种焊料，如 ZnSn、ZnAl、SnSb、AuGe，以及黏合剂，如氰酸酯和银玻璃。
本书中讨论的各种问题、材料和键合系统为业界寻找和实现真正的高温芯片连接技术带来了许多乐观的情绪。我希望本书的编辑和出版能对本行业的发展做出贡献，不论是否实现，我的目标现在已然交到了读者手中。本书献给所有不知疲倦地工作着的工程师们，他们进行了大量评估以使这些技术开花结果。本书也离不开许多同事、学生、供应商、合作者、客户和雇主的支持（包括 UKM GGPM-2013-079 和 GUP-2017-055的研究资助），他们不断地提供反馈、鼓励，并为我提供了多年的资金支持。
特别感谢我的家人，尤其是我的妻子 Hui Min，感谢她的理解和耐心，使本书得以完成。自 2016年首次构思本书以来，她在诞下一个孩子的同时，还在本书的比喻和文字方面进行了繁重的工作，感谢她的辛勤付出！同时，我也感谢施普林格公司在我关于本书主题的评论论文被大量下载和引用后，第yi时间找到我来编写本书。
萧景雄 于马来西亚雪兰莪州万宜镇
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