發(fā)布時間：2020-03-27 03:31

【摘要】：隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展,寬帶隙半導(dǎo)體材料(如SiC等)因其優(yōu)異的性能在功率器件領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注。但是SiC大功率器件的應(yīng)用給封裝帶來了很多挑戰(zhàn),比如封裝器件需要在高溫下穩(wěn)定工作,以及實現(xiàn)優(yōu)異的電、熱和機(jī)械性能。然而傳統(tǒng)的連接材料如無鉛釬料和導(dǎo)電膠大多無法滿足大功率器件的高溫服役要求。本課題為解決上述問題,合成了應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體器件封裝的納米銀膏,并研究其低溫?zé)o壓燒結(jié)性能。在100℃劇烈攪拌的條件下,用檸檬酸鈉還原硝酸銀得到納米銀顆粒,均勻分散在乙二醇中形成納米銀懸浮液。用相應(yīng)的絮凝劑絮凝并離心懸浮液,得到乙二醇體系的納米銀膏。納米銀顆粒的平均粒徑47 nm;銀膏的固含量為73%,水含量約為5%;250℃燒結(jié)后包覆層檸檬酸鈉大部分分解。納米銀膏低溫?zé)o壓燒結(jié)連接的IGBT芯片結(jié)溫比Au80Sn20釬料連接的芯片低20℃;納米銀膏250℃無壓燒結(jié)薄膜的電阻率為8.36μΩ·cm。研究了納米銀膏在低溫?zé)o壓燒結(jié)條件下,工藝對宏觀裂紋以及微觀組織中孔隙率、粒徑和燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)的影響。印刷厚度和升溫速率的降低會減少納米銀膏燒結(jié)表面的宏觀裂紋。燒結(jié)溫度的升高和保溫時間的延長都會促進(jìn)晶粒和燒結(jié)頸的長大,形成粗大的燒結(jié)網(wǎng)絡(luò),降低孔隙率。燒結(jié)溫度從200℃上升到300℃,孔隙率和燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)周長分別降低67.7%和87.9%,粒徑增加322.0%;保溫時間從0 min延長到120 min,孔隙率和燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)周長分別降低36.5%和59.0%,粒徑增加91.7%。制備納米銀膏燒結(jié)連接金屬基板的三明治結(jié)構(gòu)試樣,研究升溫速率、燒結(jié)溫度和保溫時間對接頭剪切強(qiáng)度的影響,分析不同燒結(jié)參數(shù)下的接頭斷面形貌。隨著升溫速率的降低,保溫時間和燒結(jié)溫度的增加,互連接頭的剪切強(qiáng)度逐漸增加。對于納米銀膏無壓燒結(jié)連接1.5 mm×1.5 mm和10 mm×10 mm銅基板形成的三明治結(jié)構(gòu)互連接頭,2℃/min升溫至250℃,保溫60 min的剪切強(qiáng)度30.1 MPa。剪切斷裂的位置有焊盤上的金屬鍍層、燒結(jié)銀層-焊盤的界面層和燒結(jié)銀層,其中300℃和250℃保溫60 min后的斷裂位置在燒結(jié)銀層或金屬鍍層上,說明接頭的力學(xué)性能優(yōu)異。
【圖文】：

第 1 章 緒 論 課題背景及研究意義近年來，，隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，提高器件的功率密度以降低尺寸量引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。功率密度的增加主要通過增加功率開關(guān)的來實現(xiàn)，如今的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中主要的半導(dǎo)體材料是 Si，但功率半導(dǎo)體的發(fā)展對半導(dǎo)體材料提出了更高的要求，比如高頻、大功率、耐高溫[2]。隙半導(dǎo)體材料如 SiC 和 GaN 等，由于其良好的系統(tǒng)動態(tài)特性、過載能器件耐用性以及優(yōu)異的熱性能和電性能，逐漸成為大功率器件的重要材]。以 SiC 為例，該材料的臨界電場為 2.0 MV/cm，比 Si 高出一個數(shù)量級； 功率器件的阻斷能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 Si 器件，從而可以實現(xiàn)更低的通態(tài)電阻；，SiC 的高熱導(dǎo)率提高了器件本身的散熱能力[4]；由于 SiC 的帶隙能為eV，所以具有在高溫下工作的潛質(zhì)[5]。這些優(yōu)點使 SiC 功率器件可以完美代 Si 以滿足大功率的要求。圖 1-1 為典型的功率器件封裝示意圖。

銀燒結(jié)理論屬的燒結(jié)是將金屬在低于其塊體熔點的條件下燒結(jié)形之所以能在較低的溫度下進(jìn)行，是因為納米尺寸的金面曲率半徑又很小，所以當(dāng)兩個納米顆粒相互接觸時產(chǎn)生負(fù)曲率，原子就會從正曲率向負(fù)曲率遷移，同時 1-2 所示。這樣的運動路徑導(dǎo)致納米顆粒表面的物質(zhì)結(jié)頸不斷長大。燒結(jié)頸形成之后，晶粒也開始長大，面能和曲率差，隨著燒結(jié)的進(jìn)行晶界不斷發(fā)生遷移。結(jié)的驅(qū)動力是界面能，但是晶界是在曲率差的驅(qū)動下著溫度的升高或保溫時間的延長，原始的納米銀顆粒的燒結(jié)組織，孔洞也會隨之減少。納米銀在電子封裝米顆粒的小尺寸效應(yīng)，在較低的溫度下燒結(jié)連接芯片役時仍有優(yōu)良性能的接頭。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TN303

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳國杰;宮永純;馬濤;;納米銀的制備及應(yīng)用[J];遼寧化工;2008年09期

本文編號：2602396