Ni-Sn TLPS连接特性与动力学研究

发布时间：2020-05-20 14:15

【摘要】：瞬时液相烧结(TLPS)连接技术作为一种极具应用价值的低温连接/高温服役连接技术,对解决新一代功率芯片的耐高温封装问题具有重要意义。本文提出以Ni-Sn作为TLPS反应系,开展了 Ni/Ni-Sn/Ni TLPS连接研究,系统分析了连接层的组织结构及其演变规律;从连接过程动力学表征入手,分别从试验、物理模拟和理论模型构建三个层次对连接层化合物转变动力学进行了研究,揭示了 Ni3Sn4的生长规律;深入研究了接头的力学和高温时效特性,并对Cu/Ni-Sn/Cu TLPS连接特性和动力学规律进行了探讨。主要研究成果如下。Ni/Ni-Sn/Ni TLPS连接层组织结构及演变研究表明,在3000C和3400C分别经过240min和180min保温,连接层的Sn完全与Ni反应转变为Ni-Sn金属间化合物,连接层主要由Ni3Sn4化合物和残留的Ni颗粒组成。建立了连接层组织结构转变的物理模型:在连接过程中,由于连接层形成了以Ni3Sn4为主的刚性骨架结构且Ni-Sn反应存在较大的体积收缩(14.70～14.94%),导致连接层在一定时间内出现了孔隙增多的现象;当Sn完全转变为Ni3Sn4后,随着保温时间的延长,连接层孔隙逐渐消失,连接层最终完全致密化。Ni/Ni-Sn/Ni TLPS连接过程实际上是液态Sn与固态Ni不断反应形成金属间化合物的过程,因此可以通过连接层纯Sn相的残留率对连接过程动力学进行表征。通过测量实际连接层中Sn的熔化焓,计算Sn的残留率和Ni3Sn4层的厚度,对实际连接层动力学过程进行了研究。在此基础上,进一步应用示差扫描量热仪对Ni/Ni-Sn/Ni TLPS连接过程进行了物理模拟,揭示了Ni3Sn4层厚度△r与时间t0.308成线性规律;建立了等温条件Ni/Ni-Sn/Ni TLPS化合物转变动力学模型,并导出了等温条件下Ni3Sn4化合物向内、外两个方向生长的动力学方程,理论方程的数值计算结果与物理模拟及实际连接层Ni3Sn4生长规律吻合良好。Ni/Ni-Sn/Ni TLPS连接特性研究表明,随着保温时间延长,接头室温和高温(350℃)剪切强度均呈增大趋势,当连接层完全转变为Ni3Sn4化合物,接头高温(350℃)剪切强度与室温剪切强度趋同,可达28.2MPa,接头高温与室温断口形貌无明显区别,接头表现出良好的高温力学特性。高温时效研究表明,350℃时效100h,连接层组织结构无明显变化;500℃时效100h,形成了以Ni3Sn2化合物为主体的连接层,接头室温剪切强度反而较未经时效处理接头略有上升。Cu/Ni-Sn/Cu TLPS连接研究表明,在300℃和340℃分别保温240min和180min,连接层的Sn完全反应转变为金属间化合物,连接层主要由(Ni1-y、Cuy)3Sn4层、(Cu1-xNix)6Sn5层、Cu3Sn层以及残留的Ni颗粒组成。在组织结构的转变过程中,一定时间内也出现了孔隙增多的现象,但随保温时间延长,孔隙逐渐消失。动力学研究表明,(Cu1_xNix)6Sn5和Cu3Sn层的厚度都与t1/2成线性关系。连接温度一定时,随着保温时间增加,接头剪切强度先增大后减小,340℃条件下,保温时间为90min时获得接头剪切强度最大为27.0MPa。
【图文】：

２０世纪末，在高速、大功率、光学等方面的实际应用需要对器件和电路逡逑的要求进一步提高，化合物半导体材料制备技术的突破，推动了以ＧａＡｓ、逡逑ＧａＰ等为代表的第二代半导体材料的快速发展。图２－１是主要功率半导体材逡逑料的发展进程。这些半导体化合物具有更大的禁带宽度和更高的转化效率，逡逑并被应用于光学和功率器件的制造当中。ＧａＡｓ是典型的化合物半导体材料，逡逑在３００Ｋ时的禁带宽度１．４３ｅＶ，与Ｇｅ和Ｓｉ材料相比ＧａＡｓ的禁带宽度要大逡逑的多ＩＭＩ。半导体材料的各种性能参数如表２＿丨所示而晶体管的工作温逡逑度的上限与材料的Ｅｇ成正比，因此不考其他因素，理论上ＧａＡｓ器件最高可逡逑以在３５０°Ｃ下工作。化合物半导体材料制作的器件还具有较高的转化效率。逡逑在引入一些杂质的ＧａＰ化合物半导体中，可在杂质处形成发光辐射复合中心，逡逑能打效提高发光二极管的效率。但这类化合物也存在一些不足，由于这类化逡逑合物Ａ身结构在对称性上与硅不同，其闪锌矿结构不具有对称中心，其结构逡逑上的极性导致对解理性产生影响

近年来随着新一代功率半导体技术不断取得突破，逐步开发了包括功率逡逑流器、单极型晶体管、双极型载流子器件等一系列高温、大功率半导体芯逡逑。相应半导体器件的最大使用温度可达５００°Ｃ［６＿１６］，可供高温使用的基板材逡逑很少，热稳定性优良的陶瓷材料，如Ａｌ２０３、ＡＩＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢｅＯ和ＺｒＯ等逡逑为主要的高温基板材料［１Ｗ９］。以陶瓷为基底两侧敷焊Ｃｕ的ＤＢＣ基板能够逡逑５００°Ｃ下可靠工作，被视为新一代高温、大功率芯片耐高温封装的首选基逡逑。一般为了提高连接材料的粘附性，常选取Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔｉ－Ｗ等粘接性较好的逡逑属预镀于芯片衬底之上作为粘附层来增强连接性［２￣２＇其中Ｔｉ或ＴＶＴａＳｉ２、逡逑ｉ／Ｔｉ－Ｗ、Ｃｒ／Ｎｉ－Ｃｒ等镀层还能够起到降低金属／半导体之间肖特基势垒、减小逡逑降，达到欧姆接触的目的。高温下基板上的Ｃｕ层活性较强，为了减小连逡逑材料与Ｃｕ的过度反应，通常采用活性较弱的Ｎｉｉ２（Ｗ２］、Ｎｉ－Ｐ［２４２５４Ｐ邋Ｐｔ［２６２７］逡逑金属作为扩散阻挡层，来抑制界面化合物的过度生长，从而强化焊接界面，，逡逑高连接可靠性。另外，采用热胀系数介于芯片和基板之间的材料作为过渡逡逑，能够起到缓解热失配、减小热应力的作用。总之，合理科学的封装结构逡逑芯片耐闻温封装的基础。逡逑
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304

【参考文献】

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本文编号：2672747