纳米银膏的制备及其低温无压烧结成形

发布时间：2020-03-27 03:31

【摘要】：随着半导体行业的飞速发展,宽带隙半导体材料(如SiC等)因其优异的性能在功率器件领域受到越来越广泛的关注。但是SiC大功率器件的应用给封装带来了很多挑战,比如封装器件需要在高温下稳定工作,以及实现优异的电、热和机械性能。然而传统的连接材料如无铅钎料和导电胶大多无法满足大功率器件的高温服役要求。本课题为解决上述问题,合成了应用于大功率半导体器件封装的纳米银膏,并研究其低温无压烧结性能。在100℃剧烈搅拌的条件下,用柠檬酸钠还原硝酸银得到纳米银颗粒,均匀分散在乙二醇中形成纳米银悬浮液。用相应的絮凝剂絮凝并离心悬浮液,得到乙二醇体系的纳米银膏。纳米银颗粒的平均粒径47 nm;银膏的固含量为73%,水含量约为5%;250℃烧结后包覆层柠檬酸钠大部分分解。纳米银膏低温无压烧结连接的IGBT芯片结温比Au80Sn20钎料连接的芯片低20℃;纳米银膏250℃无压烧结薄膜的电阻率为8.36μΩ·cm。研究了纳米银膏在低温无压烧结条件下,工艺对宏观裂纹以及微观组织中孔隙率、粒径和烧结网络的影响。印刷厚度和升温速率的降低会减少纳米银膏烧结表面的宏观裂纹。烧结温度的升高和保温时间的延长都会促进晶粒和烧结颈的长大,形成粗大的烧结网络,降低孔隙率。烧结温度从200℃上升到300℃,孔隙率和烧结网络周长分别降低67.7%和87.9%,粒径增加322.0%;保温时间从0 min延长到120 min,孔隙率和烧结网络周长分别降低36.5%和59.0%,粒径增加91.7%。制备纳米银膏烧结连接金属基板的三明治结构试样,研究升温速率、烧结温度和保温时间对接头剪切强度的影响,分析不同烧结参数下的接头断面形貌。随着升温速率的降低,保温时间和烧结温度的增加,互连接头的剪切强度逐渐增加。对于纳米银膏无压烧结连接1.5 mm×1.5 mm和10 mm×10 mm铜基板形成的三明治结构互连接头,2℃/min升温至250℃,保温60 min的剪切强度30.1 MPa。剪切断裂的位置有焊盘上的金属镀层、烧结银层-焊盘的界面层和烧结银层,其中300℃和250℃保温60 min后的断裂位置在烧结银层或金属镀层上,说明接头的力学性能优异。
【图文】：

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第 1 章绪论课题背景及研究意义近年来，，随着半导体行业的飞速发展，提高器件的功率密度以降低尺寸量引起了人们的广泛关注[1]。功率密度的增加主要通过增加功率开关的来实现，如今的功率转换系统中主要的半导体材料是 Si，但功率半导体的发展对半导体材料提出了更高的要求，比如高频、大功率、耐高温[2]。隙半导体材料如 SiC 和 GaN 等，由于其良好的系统动态特性、过载能器件耐用性以及优异的热性能和电性能，逐渐成为大功率器件的重要材]。以 SiC 为例，该材料的临界电场为 2.0 MV/cm，比 Si 高出一个数量级；功率器件的阻断能力远远高于 Si 器件，从而可以实现更低的通态电阻；，SiC 的高热导率提高了器件本身的散热能力[4]；由于 SiC 的带隙能为eV，所以具有在高温下工作的潜质[5]。这些优点使 SiC 功率器件可以完美代 Si 以满足大功率的要求。图 1-1 为典型的功率器件封装示意图。

负曲率,原子,曲率差,纳米颗粒

银烧结理论属的烧结是将金属在低于其块体熔点的条件下烧结形之所以能在较低的温度下进行，是因为纳米尺寸的金面曲率半径又很小，所以当两个纳米颗粒相互接触时产生负曲率，原子就会从正曲率向负曲率迁移，同时 1-2 所示。这样的运动路径导致纳米颗粒表面的物质结颈不断长大。烧结颈形成之后，晶粒也开始长大，面能和曲率差，随着烧结的进行晶界不断发生迁移。结的驱动力是界面能，但是晶界是在曲率差的驱动下着温度的升高或保温时间的延长，原始的纳米银颗粒的烧结组织，孔洞也会随之减少。纳米银在电子封装米颗粒的小尺寸效应，在较低的温度下烧结连接芯片役时仍有优良性能的接头。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TN303

【参考文献】