發(fā)布時間：2020-05-20 14:15

【摘要】：瞬時液相燒結(jié)(TLPS)連接技術(shù)作為一種極具應(yīng)用價值的低溫連接/高溫服役連接技術(shù),對解決新一代功率芯片的耐高溫封裝問題具有重要意義。本文提出以Ni-Sn作為TLPS反應(yīng)系,開展了 Ni/Ni-Sn/Ni TLPS連接研究,系統(tǒng)分析了連接層的組織結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律;從連接過程動力學(xué)表征入手,分別從試驗、物理模擬和理論模型構(gòu)建三個層次對連接層化合物轉(zhuǎn)變動力學(xué)進(jìn)行了研究,揭示了 Ni3Sn4的生長規(guī)律;深入研究了接頭的力學(xué)和高溫時效特性,并對Cu/Ni-Sn/Cu TLPS連接特性和動力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了探討。主要研究成果如下。Ni/Ni-Sn/Ni TLPS連接層組織結(jié)構(gòu)及演變研究表明,在3000C和3400C分別經(jīng)過240min和180min保溫,連接層的Sn完全與Ni反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镹i-Sn金屬間化合物,連接層主要由Ni3Sn4化合物和殘留的Ni顆粒組成。建立了連接層組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的物理模型:在連接過程中,由于連接層形成了以Ni3Sn4為主的剛性骨架結(jié)構(gòu)且Ni-Sn反應(yīng)存在較大的體積收縮(14.70～14.94%),導(dǎo)致連接層在一定時間內(nèi)出現(xiàn)了孔隙增多的現(xiàn)象;當(dāng)Sn完全轉(zhuǎn)變?yōu)镹i3Sn4后,隨著保溫時間的延長,連接層孔隙逐漸消失,連接層最終完全致密化。Ni/Ni-Sn/Ni TLPS連接過程實際上是液態(tài)Sn與固態(tài)Ni不斷反應(yīng)形成金屬間化合物的過程,因此可以通過連接層純Sn相的殘留率對連接過程動力學(xué)進(jìn)行表征。通過測量實際連接層中Sn的熔化焓,計算Sn的殘留率和Ni3Sn4層的厚度,對實際連接層動力學(xué)過程進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步應(yīng)用示差掃描量熱儀對Ni/Ni-Sn/Ni TLPS連接過程進(jìn)行了物理模擬,揭示了Ni3Sn4層厚度△r與時間t0.308成線性規(guī)律;建立了等溫條件Ni/Ni-Sn/Ni TLPS化合物轉(zhuǎn)變動力學(xué)模型,并導(dǎo)出了等溫條件下Ni3Sn4化合物向內(nèi)、外兩個方向生長的動力學(xué)方程,理論方程的數(shù)值計算結(jié)果與物理模擬及實際連接層Ni3Sn4生長規(guī)律吻合良好。Ni/Ni-Sn/Ni TLPS連接特性研究表明,隨著保溫時間延長,接頭室溫和高溫(350℃)剪切強(qiáng)度均呈增大趨勢,當(dāng)連接層完全轉(zhuǎn)變?yōu)镹i3Sn4化合物,接頭高溫(350℃)剪切強(qiáng)度與室溫剪切強(qiáng)度趨同,可達(dá)28.2MPa,接頭高溫與室溫斷口形貌無明顯區(qū)別,接頭表現(xiàn)出良好的高溫力學(xué)特性。高溫時效研究表明,350℃時效100h,連接層組織結(jié)構(gòu)無明顯變化;500℃時效100h,形成了以Ni3Sn2化合物為主體的連接層,接頭室溫剪切強(qiáng)度反而較未經(jīng)時效處理接頭略有上升。Cu/Ni-Sn/Cu TLPS連接研究表明,在300℃和340℃分別保溫240min和180min,連接層的Sn完全反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匍g化合物,連接層主要由(Ni1-y、Cuy)3Sn4層、(Cu1-xNix)6Sn5層、Cu3Sn層以及殘留的Ni顆粒組成。在組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程中,一定時間內(nèi)也出現(xiàn)了孔隙增多的現(xiàn)象,但隨保溫時間延長,孔隙逐漸消失。動力學(xué)研究表明,(Cu1_xNix)6Sn5和Cu3Sn層的厚度都與t1/2成線性關(guān)系。連接溫度一定時,隨著保溫時間增加,接頭剪切強(qiáng)度先增大后減小,340℃條件下,保溫時間為90min時獲得接頭剪切強(qiáng)度最大為27.0MPa。
【圖文】：

２０世紀(jì)末，在高速、大功率、光學(xué)等方面的實際應(yīng)用需要對器件和電路逡逑的要求進(jìn)一步提高，化合物半導(dǎo)體材料制備技術(shù)的突破，推動了以ＧａＡｓ、逡逑ＧａＰ等為代表的第二代半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展。圖２－１是主要功率半導(dǎo)體材逡逑料的發(fā)展進(jìn)程。這些半導(dǎo)體化合物具有更大的禁帶寬度和更高的轉(zhuǎn)化效率，逡逑并被應(yīng)用于光學(xué)和功率器件的制造當(dāng)中。ＧａＡｓ是典型的化合物半導(dǎo)體材料，逡逑在３００Ｋ時的禁帶寬度１．４３ｅＶ，與Ｇｅ和Ｓｉ材料相比ＧａＡｓ的禁帶寬度要大逡逑的多ＩＭＩ。半導(dǎo)體材料的各種性能參數(shù)如表２＿丨所示而晶體管的工作溫逡逑度的上限與材料的Ｅｇ成正比，因此不考其他因素，理論上ＧａＡｓ器件最高可逡逑以在３５０°Ｃ下工作�；衔锇雽�(dǎo)體材料制作的器件還具有較高的轉(zhuǎn)化效率。逡逑在引入一些雜質(zhì)的ＧａＰ化合物半導(dǎo)體中，可在雜質(zhì)處形成發(fā)光輻射復(fù)合中心，逡逑能打效提高發(fā)光二極管的效率。但這類化合物也存在一些不足，由于這類化逡逑合物Ａ身結(jié)構(gòu)在對稱性上與硅不同，其閃鋅礦結(jié)構(gòu)不具有對稱中心，其結(jié)構(gòu)逡逑上的極性導(dǎo)致對解理性產(chǎn)生影響

近年來隨著新一代功率半導(dǎo)體技術(shù)不斷取得突破，逐步開發(fā)了包括功率逡逑流器、單極型晶體管、雙極型載流子器件等一系列高溫、大功率半導(dǎo)體芯逡逑。相應(yīng)半導(dǎo)體器件的最大使用溫度可達(dá)５００°Ｃ［６＿１６］，可供高溫使用的基板材逡逑很少，熱穩(wěn)定性優(yōu)良的陶瓷材料，如Ａｌ２０３、ＡＩＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢｅＯ和ＺｒＯ等逡逑為主要的高溫基板材料［１Ｗ９］。以陶瓷為基底兩側(cè)敷焊Ｃｕ的ＤＢＣ基板能夠逡逑５００°Ｃ下可靠工作，被視為新一代高溫、大功率芯片耐高溫封裝的首選基逡逑。一般為了提高連接材料的粘附性，常選�。裕椤ⅲ茫�、Ｔｉ－Ｗ等粘接性較好的逡逑屬預(yù)鍍于芯片襯底之上作為粘附層來增強(qiáng)連接性［２￣２＇其中Ｔｉ或ＴＶＴａＳｉ２、逡逑ｉ／Ｔｉ－Ｗ、Ｃｒ／Ｎｉ－Ｃｒ等鍍層還能夠起到降低金屬／半導(dǎo)體之間肖特基勢壘、減小逡逑降，達(dá)到歐姆接觸的目的。高溫下基板上的Ｃｕ層活性較強(qiáng)，為了減小連逡逑材料與Ｃｕ的過度反應(yīng)，通常采用活性較弱的Ｎｉｉ２（Ｗ２］、Ｎｉ－Ｐ［２４２５４Ｐ邋Ｐｔ［２６２７］逡逑金屬作為擴(kuò)散阻擋層，來抑制界面化合物的過度生長，從而強(qiáng)化焊接界面，，逡逑高連接可靠性。另外，采用熱脹系數(shù)介于芯片和基板之間的材料作為過渡逡逑，能夠起到緩解熱失配、減小熱應(yīng)力的作用�？傊�，合理科學(xué)的封裝結(jié)構(gòu)逡逑芯片耐聞溫封裝的基礎(chǔ)。逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN304

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2672747