微-纳颗粒混合银焊膏的裸铜基板连接工艺及性能研究

发布时间：2020-08-07 23:19

【摘要】：集成电力电子模块的高功率密度、高可靠性的需求对芯片级互连技术提出了更高的要求。纳米银焊膏因为烧结温度低,工作温度高,优良的导电导热性能而逐渐替代传统的焊料合金,成为目前最受关注的芯片互连材料。但是存在于纳米银焊膏中,用来防止纳米银颗粒团聚的分散剂一定程度上提高了烧结温度;且纳米银颗粒的制作成本较高。这些都阻碍了纳米银焊膏的市场化推广。同时,对于纳米银焊膏的应用连接基板,铜基板可避免镀层工序和基板与镀层间的裂纹,成为芯片互连的关注热点。但是铜易氧化的性质和银铜间晶格常数的不匹配使得裸铜连接成为研究难点。本文提出一种微-纳颗粒混合银焊膏,通过低温无压烧结,实现裸铜连接。通过热重和拉曼测试方法研究烧结气氛对焊膏热解行为的影响,结果表明氧是焊膏实现低温烧结的必要条件。以剪切强度和瞬态热阻为表征手段,定量研究烧结气氛中的氧含量对裸铜接头烧结层和界面连接质量的影响。结果表明在烧结气氛为空气时,265°C烧结裸铜接头性能最佳(剪切强度53 MPa,瞬态热阻0.132°C/W)。低真空烧结时,在氧含量为5×10~3 ppm,烧结温度为265°C的条件下,接头热力性能要优于空气烧结的结果(剪切强度64 MPa,瞬态热阻0.114°C/W)。微观分析表明纳米银颗粒和多孔烧结层的结构使得银和铜或铜氧化物可通过元素互扩散产生化学键合。为了衡量采用本焊膏和上述工艺得到的空气烧结和低真空烧结裸铜接头在实际应用的可靠性,本文进一步实施了温度循环可靠性测试。结果表明低真空裸铜接头在低真空中的抗温度循环能力要优于空气烧结裸铜接头。这是由于氧化物的缺失,减少了接头各层材料间由于热膨胀系数不同产生的热应力。根据空气烧结和低真空烧结裸铜接头的断裂方式、烧结层的微观结构和界面的扩散行为,本文提出了微-纳颗粒混合银焊膏的烧结机理,不同氧含量下的界面连接机理,并分析了裸铜接头在空气中和低真空中的老化失效行为。
【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】：TG42
【图文】：

电力电子模块

.1 电力电子集成模块封装综述.1.1 电力电子集成模块封装现状近年来，为优化电力电子装置，实现高功率密度、高效率和可靠性、低成综合要求，集成电力电子模块被提出成为保证模块小型化、标准化最有效的[1-4]，即在满足系统电气、热学、机械等方面要求的前提下，依据最优化电路原则，集成多种电力电子器件，及驱动和控制电路、保护电路等辅助设备于的综合设计，如图 1-1 所示。同时宽带隙功率半导体器件的出现，也推动了模块的发展，如碳化硅（SiC）器件因较高的关键性电场，可允许较薄的芯计和高掺杂漂移层，以降低导通电阻[5-7]。其高导热率（4.9W/cm·K）允许大00°C 的高温工作环境，有助于提高器件和系统的散热能力。这将进一步优化的过载能力、热和电性能以满足高功率密度要求。

扩散机制,球模型

烧结机理[28-29]。图1-2为利用两个等径颗粒组成的双球简化模型来分析烧结过程。致密化过程主要于晶界扩散和沿晶扩散机制有关。原子沿接触面和晶界面扩散，可增大两颗粒间的接触面积或减小两颗粒间中心距离的缩短。而对于通过晶格扩散和表面扩散的原子只是沿着接触面移动，并不会引起两颗粒间的收缩。这样的非致密化过程主要发生在低温阶段，因此应减小烧结过程在低温下的停留时间。表 1-2 烧结过程中的扩散机制Tab.1-2 Diffusion mechanisms of sintering process扩散机制物质来源致密化表面扩散表面否晶格扩散表面否蒸汽压传输表面否晶界扩散晶界是晶格扩散晶界是晶格扩散位错是

形貌,焊膏,有机物,体系

图 2-1 焊膏的初始形貌图（a）TEM；（b）SEMFig. 2-1 Images of the micromorphology of initial paste（a）TEM；（b）SEM 热行为焊膏的有机物体系主要由粘接剂、分散剂和稀释剂组成。纳米银颗粒因能的特点，极易发生低温团聚，从而降低表面能，这种非致密化扩散过影响烧结驱动力，因此在其中添加分散剂，其作用原理如图 2-2 所示。端分别为依附于纳米银颗粒表面的酸根官能团和自由的碳氢链，借助于机物的稳定性，避免团聚现象的发生[43]。含有 α-松油醇的粘结剂，主要分散的银颗粒，保证体系的均匀性，同时可加热过程中形成裂纹。稀释短链有机物，用来调节焊膏的粘稠性和流动性，以便后续的印刷或涂覆

【参考文献】