發(fā)布時(shí)間：2020-04-22 23:47

【摘要】：電子器件正朝著高功率密度、尺寸小型化的趨勢發(fā)展,其使用環(huán)境溫度也由于芯片的大量產(chǎn)熱以及散熱的不及時(shí)而逐步升高。以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料可在高溫下穩(wěn)定工作,而且還具備寬禁帶、擊穿電壓、響應(yīng)速度、耐高溫方面的優(yōu)勢。然而,SiC芯片發(fā)展急需解決的瓶頸性問題之一就是缺少可以同樣耐高溫的芯片貼裝材料(300℃)。本課題提出基于銦填充泡沫銀的焊縫結(jié)構(gòu),由于泡沫Ag的巨大比表面積而大大加快了反應(yīng)速率,進(jìn)而減少了焊接時(shí)間。由于In的熔點(diǎn)低,本課題的焊接工藝可以在200℃下完成,減小了焊接過程中的熱應(yīng)力。并且,焊接完成后的焊縫和老化后的焊縫,由于分別形成Ag_9In_4及(Ag),從而熔點(diǎn)可分別達(dá)到660℃和695℃。因此,具有了成為下一代半導(dǎo)體的耐高溫貼裝材料的可能。壓汞試驗(yàn)表明本課題中用于焊接的泡沫Ag的孔隙率為28.03%,由此經(jīng)過計(jì)算得出泡沫Ag的比表面積為78.9 cm~2/g,是傳統(tǒng)的TLP工藝的比表面積的9.5倍。進(jìn)一步分析則得出了焊縫的最終成分與泡沫Ag的孔隙率之間的關(guān)系。泡沫Ag的孔徑等特征可由機(jī)械壓片方式來調(diào)整,對其微觀結(jié)構(gòu)表征的結(jié)果表明泡沫Ag泡沫的開放性。通過調(diào)整溫度、壓力、時(shí)間、助焊劑、基板等焊接工藝參數(shù),焊縫的形貌得到了最佳優(yōu)化。當(dāng)選用Cu基板進(jìn)行焊接時(shí),在160℃的低溫下即可完成焊接過程,然而Cu基板在后續(xù)的老化過程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的可靠性問題。因此,最終選擇了使用Ag基板,在200℃-10 min-0.5 MPa壓力的條件下完成焊接過程,低熔點(diǎn)In被完全消耗掉,焊縫的結(jié)構(gòu)由泡沫Ag骨架和Ag_9In_4化合物組成,焊縫中沒有明顯的孔洞,厚度在300μm左右。利用SEM、XRD等分析檢測手段對焊縫的反應(yīng)過程進(jìn)行了表征,提出了焊縫中Ag-In反應(yīng)的短程擴(kuò)散機(jī)制,很好地解釋了焊縫在反應(yīng)過程中出現(xiàn)的成分不均勻的現(xiàn)象。對剛完成焊接過程的焊縫進(jìn)行的室溫剪切測試表明焊縫的剪切強(qiáng)度達(dá)到37.6 MPa,焊縫沿Z字形斷裂,斷口表現(xiàn)為脆性斷裂形貌。為檢驗(yàn)焊縫在高溫下長時(shí)間服役的可靠性,對焊縫進(jìn)行了300℃,不同時(shí)間的老化實(shí)驗(yàn)。對老化后的試樣進(jìn)行成分分析、室溫剪切、高溫剪切、維氏硬度、電阻率等性能測試。結(jié)果表明老化后焊縫的成分由Ag_9In_4變?yōu)?Ag),相比與剛焊接完成的狀態(tài),室溫剪切強(qiáng)度提升至49.7 MPa。伴隨著成分的變化,焊縫的電阻率升高,剪切強(qiáng)度降低,維氏硬度降低。在300℃下,剪切強(qiáng)度可達(dá)37.9 MPa,400℃環(huán)境下,剪切強(qiáng)度可達(dá)26.2 MPa,即使在500℃下,剪切強(qiáng)度也達(dá)到了13.0 MPa。老化后的斷口呈不規(guī)則曲折的形式,焊縫老化后由于成分變?yōu)锳g固溶體,高溫剪切斷口出現(xiàn)大量塑性的剪切帶痕跡。對于500℃剪切得到的斷口,則發(fā)現(xiàn)了晶界滑移的特征。
【圖文】：

圖 1-1 導(dǎo)電膠接頭示意圖[8]張等人[9]通過液相還原的方法制得納米銀粉，形貌呈短棒狀。然后將其導(dǎo)入 EP（Ethylene Propylene）基體中，獲得的 ECA 體積電阻率為 1.997×10-4Ω·cm，粘接強(qiáng)度達(dá)到 18.9 MPa。Cui 等人[10]分別用 Ag 片、Ag 片/Ag 微片、Ag 片/Ag微片/納米 Ag 制成 ECA，黏度適中、電阻率低、熱導(dǎo)率高，面內(nèi)的電阻率為5×10-5Ω·cm。它在垂直方向上的熱導(dǎo)率為 5~7 W·m-1·K-1，比面內(nèi)方向的 15~30W·m-1·K-1要低。這種 ECA 在 130 ℃時(shí)產(chǎn)生固化，熱穩(wěn)定性很好，分解溫度在350 ℃以上。導(dǎo)電玻璃，也叫 Ag 添加玻璃或 Ag 玻璃膏，主要由玻璃、金屬填料、有機(jī)添加劑組成。其中，硼酸鉛玻璃料主要是為導(dǎo)電玻璃提供機(jī)械性能。作為金屬填料的 Ag 薄片，一般為 4~10 μm，其作用是為導(dǎo)電玻璃提供導(dǎo)電性能。而有機(jī)添加劑丙烯酸類樹脂的作用是使導(dǎo)電玻璃分散成膏狀，，可以模版印刷。當(dāng) Ag玻璃用于芯片貼裝時(shí)，過程和導(dǎo)電膠很像，但是需要在 410 ℃~450 ℃加熱，而不是分段加熱[11]。導(dǎo)電膠主要存在的問題是耐高溫性能差，并且如使用 Ag 作為金屬填料還

長期服役會(huì)影響可靠性能，孔洞的存在也會(huì)不良影響�？锥吹拇嬖诤艽蟪潭壬鲜� Ag 納米顆粒表面致，納米 Ag 燒結(jié)的輔助壓力越大，焊縫的孔洞越少。在不同壓力下燒結(jié)的焊縫形貌。a 等人[31]用微米 Cu 顆粒去氧化工藝，對微米 Cu 表面進(jìn)無壓燒結(jié)。先在 130 ℃條件下預(yù)熱，然后升溫到 300℃，，保溫形成高溫焊縫。實(shí)際上，微米 Cu 顆粒在預(yù)熱過現(xiàn)納米尺度的 Cu2O 顆粒，隨著乙酸氣體的通入，Cu2Ou 顆粒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)焊接。通乙酸蒸汽 5 min，得到的Pa。如果沒有通乙酸氣體，焊縫的剪切強(qiáng)度為 0，沒有微米 Cu燒結(jié)的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力小。與傳統(tǒng)的微米 Cu燒結(jié)焊藝可以緩解 Cu 的氧化問題，并且實(shí)現(xiàn)微米燒結(jié)到納米在金屬顆粒燒結(jié)這種工藝中，顆粒尺度問題是至關(guān)重要?jiǎng)�、真空、壓力這些因素都會(huì)影響 Cu 納米顆粒的燒結(jié)度[33, 34]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN05;TG44

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