铟填充泡沫银耐高温焊缝的低温连接工艺和性能研究

发布时间：2020-04-22 23:47

【摘要】：电子器件正朝着高功率密度、尺寸小型化的趋势发展,其使用环境温度也由于芯片的大量产热以及散热的不及时而逐步升高。以SiC为代表的第三代半导体材料可在高温下稳定工作,而且还具备宽禁带、击穿电压、响应速度、耐高温方面的优势。然而,SiC芯片发展急需解决的瓶颈性问题之一就是缺少可以同样耐高温的芯片贴装材料(300℃)。本课题提出基于铟填充泡沫银的焊缝结构,由于泡沫Ag的巨大比表面积而大大加快了反应速率,进而减少了焊接时间。由于In的熔点低,本课题的焊接工艺可以在200℃下完成,减小了焊接过程中的热应力。并且,焊接完成后的焊缝和老化后的焊缝,由于分别形成Ag_9In_4及(Ag),从而熔点可分别达到660℃和695℃。因此,具有了成为下一代半导体的耐高温贴装材料的可能。压汞试验表明本课题中用于焊接的泡沫Ag的孔隙率为28.03%,由此经过计算得出泡沫Ag的比表面积为78.9 cm~2/g,是传统的TLP工艺的比表面积的9.5倍。进一步分析则得出了焊缝的最终成分与泡沫Ag的孔隙率之间的关系。泡沫Ag的孔径等特征可由机械压片方式来调整,对其微观结构表征的结果表明泡沫Ag泡沫的开放性。通过调整温度、压力、时间、助焊剂、基板等焊接工艺参数,焊缝的形貌得到了最佳优化。当选用Cu基板进行焊接时,在160℃的低温下即可完成焊接过程,然而Cu基板在后续的老化过程中会出现严重的可靠性问题。因此,最终选择了使用Ag基板,在200℃-10 min-0.5 MPa压力的条件下完成焊接过程,低熔点In被完全消耗掉,焊缝的结构由泡沫Ag骨架和Ag_9In_4化合物组成,焊缝中没有明显的孔洞,厚度在300μm左右。利用SEM、XRD等分析检测手段对焊缝的反应过程进行了表征,提出了焊缝中Ag-In反应的短程扩散机制,很好地解释了焊缝在反应过程中出现的成分不均匀的现象。对刚完成焊接过程的焊缝进行的室温剪切测试表明焊缝的剪切强度达到37.6 MPa,焊缝沿Z字形断裂,断口表现为脆性断裂形貌。为检验焊缝在高温下长时间服役的可靠性,对焊缝进行了300℃,不同时间的老化实验。对老化后的试样进行成分分析、室温剪切、高温剪切、维氏硬度、电阻率等性能测试。结果表明老化后焊缝的成分由Ag_9In_4变为(Ag),相比与刚焊接完成的状态,室温剪切强度提升至49.7 MPa。伴随着成分的变化,焊缝的电阻率升高,剪切强度降低,维氏硬度降低。在300℃下,剪切强度可达37.9 MPa,400℃环境下,剪切强度可达26.2 MPa,即使在500℃下,剪切强度也达到了13.0 MPa。老化后的断口呈不规则曲折的形式,焊缝老化后由于成分变为Ag固溶体,高温剪切断口出现大量塑性的剪切带痕迹。对于500℃剪切得到的断口,则发现了晶界滑移的特征。
【图文】：

示意图,导电胶,示意图,导电玻璃

图 1-1 导电胶接头示意图[8]张等人[9]通过液相还原的方法制得纳米银粉，形貌呈短棒状。然后将其导入 EP（Ethylene Propylene）基体中，获得的 ECA 体积电阻率为 1.997×10-4Ω·cm，粘接强度达到 18.9 MPa。Cui 等人[10]分别用 Ag 片、Ag 片/Ag 微片、Ag 片/Ag微片/纳米 Ag 制成 ECA，黏度适中、电阻率低、热导率高，面内的电阻率为5×10-5Ω·cm。它在垂直方向上的热导率为 5~7 W·m-1·K-1，比面内方向的 15~30W·m-1·K-1要低。这种 ECA 在 130 ℃时产生固化，热稳定性很好，分解温度在350 ℃以上。导电玻璃，也叫 Ag 添加玻璃或 Ag 玻璃膏，主要由玻璃、金属填料、有机添加剂组成。其中，硼酸铅玻璃料主要是为导电玻璃提供机械性能。作为金属填料的 Ag 薄片，一般为 4~10 μm，其作用是为导电玻璃提供导电性能。而有机添加剂丙烯酸类树脂的作用是使导电玻璃分散成膏状，，可以模版印刷。当 Ag玻璃用于芯片贴装时，过程和导电胶很像，但是需要在 410 ℃~450 ℃加热，而不是分段加热[11]。导电胶主要存在的问题是耐高温性能差，并且如使用 Ag 作为金属填料还

形貌,纳米Ag,颗粒,形貌

长期服役会影响可靠性能，孔洞的存在也会不良影响。孔洞的存在很大程度上是 Ag 纳米颗粒表面致，纳米 Ag 烧结的辅助压力越大，焊缝的孔洞越少。在不同压力下烧结的焊缝形貌。a 等人[31]用微米 Cu 颗粒去氧化工艺，对微米 Cu 表面进无压烧结。先在 130 ℃条件下预热，然后升温到 300℃，，保温形成高温焊缝。实际上，微米 Cu 颗粒在预热过现纳米尺度的 Cu2O 颗粒，随着乙酸气体的通入，Cu2Ou 颗粒，进而实现烧结焊接。通乙酸蒸汽 5 min，得到的Pa。如果没有通乙酸气体，焊缝的剪切强度为 0，没有微米 Cu烧结的反应驱动力小。与传统的微米 Cu烧结焊艺可以缓解 Cu 的氧化问题，并且实现微米烧结到纳米在金属颗粒烧结这种工艺中，颗粒尺度问题是至关重要剂、真空、压力这些因素都会影响 Cu 纳米颗粒的烧结度[33, 34]。
【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】：TN05;TG44

【相似文献】