小尺寸纳米银焊膏低温低压连接工艺及其机理研究

发布时间：2017-06-29 07:34

  本文关键词：小尺寸纳米银焊膏低温低压连接工艺及其机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,以第三代半导体为材料的大功率器件越来越多的应用到实际生产中。而大功率器件往往需要在较高的温度下长时间工作,传统钎料由于熔点较低并不能适用于大功率器件的封装。本文从实现低温低压无镀层连接的角度出发,制备了小尺寸纳米银焊膏,采用该焊膏实现了对无氧铜低温低压的直接连接,获得了力学性能优良的接头,研究了不同工艺参数对于接头形貌及剪切强度的影响,探究了接头经过老化后性能的变化,最后分析了纳米银烧结机制以及界面的连接机理。制备了平均粒径在4.76nm,稳定性优良的小尺寸纳米银颗粒,通过与乙二醇和去离子水混合制备出了可以应用于连接中的焊膏。研究了焊膏的热性能,发现当柠檬酸作为包覆层时其热分解温度为160℃,比自身的分解温度低146℃。探究了连接温度对于烧结后的纳米银焊膏的密度,孔隙率,硬度以及电导率的影响。发现随着温度的不断上升,密度,硬度以及电导率增加,孔隙率下降。研究了纳米银洗涤次数,连接温度,保温时间以及连接压力对于连接接头的微观形貌以及力学性能的影响。结果发现,纳米银洗涤次数的增加导致接头致密度呈现先增加后降低趋势,而连接温度,保温时间以及连接压力的增加均会使得接头的致密性提升。对于力学性能,随着连接温度以及纳米银的洗涤次数的增加均呈现先增加后降低的趋势;而随着连接压力以及保温时间的增加,接头的力学性能则呈现上升的趋势。此外,本文探究了接头在150℃以及250℃下,经过不同老化时间后力学性能的变化,结果显示较低的温度(150℃)对于接头的性能影响较小,力学性能有略微下降;而较高温度(250℃)对于接头的力学性能影响较大,剪切强度急剧下降,在经过144h老化后,接头剪切强度仅为4.9MPa。通过透射电镜分析了小范围内纳米银之间的三种作用机制:纳米银之间的烧结,纳米银的吞并以及纳米银的挥发。结合这三种作用机制对大范围内纳米银烧结行为进行了研究,在加热过程中有机包覆层首先发生破坏,部分纳米银之间直接形成烧结颈,一些较小的纳米银被吞并形成新的颗粒进而与其他纳米银形成烧结,而另外一些纳米银则在形成网状结构中发生挥发,在原位置处形成孔洞。本文研究了界面的连接机制,发现在界面处存在两种连接机制:一是基于银铜之间相互扩散形成的连接;二是铜与银特定晶面之间通过重叠交叉形成一定的稳固连接。在这两种连接机制的共同作用下,接头具有较高的强度。
【关键词】：小尺寸纳米银 剪切强度 致密度 烧结机制 连接机理
【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】：2016
【分类号】：TN05
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 互连材料研究现状11-20
• 1.2.1 高温无铅软钎料研究现状11-14
• 1.2.2 导电胶研究现状14-15
• 1.2.3 纳米金属焊膏研究现状15-20
• 1.3 本课题的主要研究内容20-22
• 第2章 试验设备、材料与方法22-26
• 2.1 试验材料22
• 2.2 试验设备22-23
• 2.3 分析测试方法23-26
• 2.3.1 纳米银及连接接头形貌表征23
• 2.3.2 纳米银表面包覆层及热性能分析23
• 2.3.3 纳米银烧结试样的孔隙率以及密度表征23-24
• 2.3.4 纳米银烧结试样的硬度表征24
• 2.3.5 纳米银焊膏烧结试样的电导率表征24-26
• 第3章 纳米银焊膏的制备及性能分析26-42
• 3.1 前言26
• 3.2 PVP包覆的纳米银焊膏的制备及性能分析26-31
• 3.2.1 PVP包覆的纳米银焊膏的制备26-27
• 3.2.2 PVP包覆的纳米银形貌表征以及焊膏热性能分析27-30
• 3.2.3 连接接头的微观组织形貌分析30-31
• 3.3 柠檬酸包覆的纳米银焊膏的制备及其热性能分析31-39
• 3.3.1 纳米银及焊膏的制备31-33
• 3.3.2 纳米银的形貌表征及稳定性分析33-35
• 3.3.3 有机包覆层成分及热性能分析35-38
• 3.3.4 纳米银焊膏的热性能分析38-39
• 3.4 纳米银焊膏烧结试样的性能研究39-41
• 3.4.1 密度与孔隙率39
• 3.4.2 硬度39-40
• 3.4.3 电导率40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 纳米银焊膏连接接头的显微形貌分析42-54
• 4.1 前言42
• 4.2 纳米银洗涤次数对于接头形貌的影响42-45
• 4.3 连接温度对接头形貌的影响45-48
• 4.4 保温时间对于接头形貌的影响48-50
• 4.5 连接压力对于接头形貌的影响50-52
• 4.6 本章小结52-54
• 第5章 纳米银焊膏连接接头的力学性能与可靠性分析54-69
• 5.1 前言54
• 5.2 不同工艺参数对于连接接头力学性能的影响54-63
• 5.2.1 纳米银洗涤次数对于接头力学性能的影响54-56
• 5.2.2 连接温度对于接头力学性能的影响56-59
• 5.2.3 保温时间对于接头力学性能的影响59-61
• 5.2.4 连接压力对于接头力学性能的影响61-63
• 5.3 不同条件下接头老化性能分析63-67
• 5.4 本章小结67-69
• 第6章 连接接头中纳米银烧结组织形成机理及界面连接机制69-84
• 6.1 前言69
• 6.2 纳米银烧结组织形成机理69-78
• 6.2.1 小范围内纳米银间的作用形式69-75
• 6.2.2 大范围内纳米银间的烧结过程75-78
• 6.3 连接接头界面处连接机理78-83
• 6.4 本章小结83-84
• 结论84-86
• 参考文献86-91
• 攻读硕士学位期间发表的论文91-93
• 致谢93

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