无压烧结纳米银焊膏连接大功率器件的瞬态热性能研究

发布时间：2017-10-18 11:14

  本文关键词：无压烧结纳米银焊膏连接大功率器件的瞬态热性能研究

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【摘要】：纳米银焊膏作为一种新型的无铅封装互连材料,具有优良的高温力学性能、导电性能及导热性能,可满足未来大功率半导体器件的高温、高密度封装要求,目前正受到广泛关注。虽然大量学者已针对烧结接头的力学性能开展研究,但对其热性能的关注研究很少。因此本文采用绝缘栅双击型晶体管(IGBT)的门极-发射极电压(VGE)作为温度感应参数,提出了一种封装材料瞬态热阻的测试方法。结果表明,IGBT器件VGE随其结温变化的K系数为10.3 mV/oC;通过控制有效加热时间,可以比较准确的获得各层封装材料的瞬态热阻值,误差可控制在0.87%以内;通过研究环境温度,加热功率,方波占空比和加热时间等因素对该测试方法的影响规律,发现瞬态热阻值随环境温度、加热电压、占空比和加热时间的升高均增大,但加热电流对其影响不显著。以往通常采用一定的辅助压力实现低温烧结纳米银焊膏连接大功率器件,这易造成芯片在连接过程中发生预损坏,同时加压工艺设备较复杂,成本较高,不利于低温烧结纳米银芯片互连技术的广泛应用。本文还重点研究了其连接大功率器件的无压烧结工艺。我们通过分析烧结银焊点的微观形貌、导热和力学性能,揭示了烧结温度和保温时间等因素对焊点性能的影响规律。发现在250oC时,保温10 min,焊点的热阻已接近稳定,此时无压烧结焊点的平均剪切强度、热导率、瞬态热阻和孔隙率分别达25 MPa,300 W/m·K,0.05oC/W和20%,各项性能指标优异,满足功率器件高温应用的基本要求。最后,通过Ansys模拟理论分析,发现连接层空洞对热性能有显著影响。本文基于模拟结果建立了烧结焊点热性能(瞬态热阻)与力学性能(剪切强度)的数值对应关系,σ=6.69e(0.043/Zth)。此关系有助于实现对芯片互连焊点整体质量的无损表征,对于功率电子封装工艺及其互连技术的发展有显著推动作用。
【关键词】：纳米银焊膏 低温无压烧结 IGBT器件 瞬态热阻 门极-发射极电压 剪切强度
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN305;TG42
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-22
• 1.1 引言9
• 1.2 半导体器件的应用现状9-11
• 1.3 电子封装的互连技术11-17
• 1.3.1 焊料合金回流焊技术12-14
• 1.3.2 导电胶固化技术14-15
• 1.3.3 低温烧结技术15-17
• 1.4 IGBT器件的热性能评价17-20
• 1.4.1 稳态热阻17-18
• 1.4.2 瞬态热阻18-20
• 1.5 本文研究意义和主要工作20-22
• 1.5.1 研究意义20-21
• 1.5.2 主要工作21-22
• 第二章 试验材料及试验方法22-29
• 2.1 试样制备22-27
• 2.1.1 无压烧结纳米银焊膏22-24
• 2.1.2 试样制备工艺24-27
• 2.2 试样测试方法27-29
• 2.2.1 力学性能测试方法27-28
• 2.2.2 瞬态热阻测试方法28-29
• 第三章 瞬态热阻表征方法及其测试系统的研究29-47
• 3.1 K系数的确定29-31
• 3.2 瞬态热阻测试系统的设计31-36
• 3.3 误差分析36-45
• 3.3.1 环境温度的影响36-38
• 3.3.2 加热功率的影响38-41
• 3.3.3 占空比的影响41-42
• 3.3.4 加热时间的影响42-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 无压烧结纳米银焊膏连接大功率IGBT器件的工艺研究47-68
• 4.1 无压烧结工艺研究47-55
• 4.1.1 热重和示差扫描量热分析47-48
• 4.1.2 烧结过程驱动力48-50
• 4.1.3 烧结参数的影响50-55
• 4.2 烧结银接头的瞬态热分析55-57
• 4.3 连接层空洞对热性能的影响57-65
• 4.4 瞬态热阻与剪切强度的关系65-66
• 4.5 本章小结66-68
• 第五章 结论与展望68-70
• 5.1 结论68-69
• 5.2 展望69-70
• 参考文献70-78
• 发表论文和参加科研情况说明78-79
• 致谢79-80

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