纳米银焊膏烧结封装中高压IGBT模块及其性能表征

发布时间：2020-07-28 16:23

【摘要】：智能电网用压接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块主要通过压力接触实现热耗散。然而随着电力电子设备功率等级逐年提高,压接IGBT承受的电流电压也越来越高,导致芯片发热量很大以及模块内部由于热膨胀系数不匹配带来的压力及温度分布不均匀的问题更加突出,这些问题严重削弱了模块的可靠性。为了克服压接式IGBT模块封装散热的问题,本文提出了采用纳米银焊膏作为热界面材料制备烧结式IGBT芯片连接试样代替压接模块中的机械触点以提高模块的长期可靠性。为了区别压接式IGBT模块,本文命名该模块为烧结式IGBT模块。本文重点研究了不同烧结辅助压力下制备的单面烧结芯片连接试样,并将该单面烧结芯片连接试样应用于压接式IGBT模块,以验证该模块的可行性。此外,在单面烧结芯片连接试样的基础上,还对双面烧结芯片连接试样的制备和性能表征进行了探索。首先,对纳米银焊膏的低温烧结工艺进行了探索,最终确定了采用印刷双层焊膏并加压烧结的方法实现大面积芯片的无空洞连接。为了获得最佳的烧结辅助压力,将烧结辅助压力作为研究对象,表征了1,3,5,10 MPa下获得的烧结银接头的机械性能、热性能、电性能和可靠性。得出随着烧结辅助压力的升高,烧结银接头的剪切强度增加,孔隙率减小,热阻降低,可靠性提高,并从微观分析了烧结辅助压力对提高烧结银接头连接质量的作用机理。其次,考虑到烧结辅助压力太低,不容易获得稳定、强健的烧结银接头;烧结辅助压力太高反而会使芯片内部产生微裂纹从而损坏芯片。因此,最终选用了3 MPa作为最佳的烧结辅助压力,并制备了烧结式IGBT模块。通过对比两种IGBT模块的热阻,得出烧结式IGBT模块的热阻比压接式IGBT模块的热阻降低了15.8%,且二者具有一致的电性能,说明了烧结式IGBT模块的封装散热形式具有良好的可行性。为实现芯片的双面烧结连接,以工作气压作为变量,通过测量镀膜厚度实现了芯片上表面磁控溅射镀银金属化的工艺,并得出0.8Pa为最佳的镀膜气压。然后设计了一次烧结和二次烧结的双面烧结芯片连接工艺,通过无损检测和剪切强度测试确定了二次烧结为可行工艺。对该工艺下的烧结银接头进行了热阻和静态性能测试,得出双面烧结芯片连接试样的热阻为单面烧结芯片连接试样热阻的1/4并且具有良好的静态电性能。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN322.8;TB383.1
【图文】：

形貌,焊膏,纳米银,银颗粒

研制的焊膏将鱼油作为分散剂、α-松油醇作为粘结剂、丙酮等作为稀释剂并通过调整有机物的含量使焊膏中银粒子的含量为 88%左右。该焊膏中纳米银粒子分别呈球状和片状，如图1-2所示。球状纳米银颗粒在较低的温度下就可以发生颈连，有助于增加烧结速率，而银片的存在则可以提高连接强度并能减小缺陷的发生。而且，粒径分布宽泛的粉体烧结可以增加堆积密度，降低烧结体的收缩率[11]。为了研究纳米银浆中不同粒径对烧结接头性能不同的作用效果，Kielbasinski 等[12]

焊膏,烧结初期,纳米银,形貌

动力来自系统的表面能。银颗粒的尺寸越小，其吉布斯自由能降低的推动下，系统的表面能降低焊膏发生收缩，体积减小，最终实现致密化烧结将烧结分为两大类：加压烧结和无压烧结。因此加的辅助压力。施加辅助烧结压力可以降低烧结化烧结过程，提高银接头致密度，提高连接质量等静压等。度是否有贡献的角度讲，纳米银焊膏的烧结过致密化过程。低温下主要发生的是非致密化扩粒子表面的银原子向银粒子的接触面处扩散聚在这个阶段，银粒子间的距离并未发生变化，也非致密化过程。随着烧结温度的升高，扩散所扩散开始占主导作用，接触颗粒的中心距离逐开始收缩，体积减小，该过程发生的为致密化

IGBT模块,结构示意图,芯片

第 1 章绪论接式 IGBT 模块采用引线键合主导的芯片互连工艺为核心，典型的 1-4 所示，包括 IGBT 芯片和快速恢复二极管，直接覆铜（Direct er，DBC）陶瓷基板，焊料层，键合引线，散热铜底板，灌封材料， IGBT芯片和续流二极管芯片通过回流焊等互连方法连接到DBC基线键合的方法将芯片的电极引出到 DBC 的焊盘上，之后将粘有基板焊接到散热铜底板上，最后安装管壳并填充灌封胶[35]。

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