【摘要】：集成電力電子模塊的高功率密度、高可靠性的需求對(duì)芯片級(jí)互連技術(shù)提出了更高的要求。納米銀焊膏因?yàn)闊Y(jié)溫度低,工作溫度高,優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能而逐漸替代傳統(tǒng)的焊料合金,成為目前最受關(guān)注的芯片互連材料。但是存在于納米銀焊膏中,用來防止納米銀顆粒團(tuán)聚的分散劑一定程度上提高了燒結(jié)溫度;且納米銀顆粒的制作成本較高。這些都阻礙了納米銀焊膏的市場(chǎng)化推廣。同時(shí),對(duì)于納米銀焊膏的應(yīng)用連接基板,銅基板可避免鍍層工序和基板與鍍層間的裂紋,成為芯片互連的關(guān)注熱點(diǎn)。但是銅易氧化的性質(zhì)和銀銅間晶格常數(shù)的不匹配使得裸銅連接成為研究難點(diǎn)。本文提出一種微-納顆粒混合銀焊膏,通過低溫?zé)o壓燒結(jié),實(shí)現(xiàn)裸銅連接。通過熱重和拉曼測(cè)試方法研究燒結(jié)氣氛對(duì)焊膏熱解行為的影響,結(jié)果表明氧是焊膏實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)的必要條件。以剪切強(qiáng)度和瞬態(tài)熱阻為表征手段,定量研究燒結(jié)氣氛中的氧含量對(duì)裸銅接頭燒結(jié)層和界面連接質(zhì)量的影響。結(jié)果表明在燒結(jié)氣氛為空氣時(shí),265°C燒結(jié)裸銅接頭性能最佳(剪切強(qiáng)度53 MPa,瞬態(tài)熱阻0.132°C/W)。低真空燒結(jié)時(shí),在氧含量為5×10~3 ppm,燒結(jié)溫度為265°C的條件下,接頭熱力性能要優(yōu)于空氣燒結(jié)的結(jié)果(剪切強(qiáng)度64 MPa,瞬態(tài)熱阻0.114°C/W)。微觀分析表明納米銀顆粒和多孔燒結(jié)層的結(jié)構(gòu)使得銀和銅或銅氧化物可通過元素互擴(kuò)散產(chǎn)生化學(xué)鍵合。為了衡量采用本焊膏和上述工藝得到的空氣燒結(jié)和低真空燒結(jié)裸銅接頭在實(shí)際應(yīng)用的可靠性,本文進(jìn)一步實(shí)施了溫度循環(huán)可靠性測(cè)試。結(jié)果表明低真空裸銅接頭在低真空中的抗溫度循環(huán)能力要優(yōu)于空氣燒結(jié)裸銅接頭。這是由于氧化物的缺失,減少了接頭各層材料間由于熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力。根據(jù)空氣燒結(jié)和低真空燒結(jié)裸銅接頭的斷裂方式、燒結(jié)層的微觀結(jié)構(gòu)和界面的擴(kuò)散行為,本文提出了微-納顆�；旌香y焊膏的燒結(jié)機(jī)理,不同氧含量下的界面連接機(jī)理,并分析了裸銅接頭在空氣中和低真空中的老化失效行為。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG42
【圖文】：

.1 電力電子集成模塊封裝綜述.1.1 電力電子集成模塊封裝現(xiàn)狀近年來，為優(yōu)化電力電子裝置，實(shí)現(xiàn)高功率密度、高效率和可靠性、低成綜合要求，集成電力電子模塊被提出成為保證模塊小型化、標(biāo)準(zhǔn)化最有效的[1-4]，即在滿足系統(tǒng)電氣、熱學(xué)、機(jī)械等方面要求的前提下，依據(jù)最優(yōu)化電路原則，集成多種電力電子器件，及驅(qū)動(dòng)和控制電路、保護(hù)電路等輔助設(shè)備于的綜合設(shè)計(jì)，如圖 1-1 所示。同時(shí)寬帶隙功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，也推動(dòng)了模塊的發(fā)展，如碳化硅（SiC）器件因較高的關(guān)鍵性電場(chǎng)，可允許較薄的芯計(jì)和高摻雜漂移層，以降低導(dǎo)通電阻[5-7]。其高導(dǎo)熱率（4.9W/cm·K）允許大00°C 的高溫工作環(huán)境，有助于提高器件和系統(tǒng)的散熱能力。這將進(jìn)一步優(yōu)化的過載能力、熱和電性能以滿足高功率密度要求。

燒結(jié)機(jī)理[28-29]。圖1-2為利用兩個(gè)等徑顆粒組成的雙球簡(jiǎn)化模型來分析燒結(jié)過程。致密化過程主要于晶界擴(kuò)散和沿晶擴(kuò)散機(jī)制有關(guān)。原子沿接觸面和晶界面擴(kuò)散，可增大兩顆粒間的接觸面積或減小兩顆粒間中心距離的縮短。而對(duì)于通過晶格擴(kuò)散和表面擴(kuò)散的原子只是沿著接觸面移動(dòng)，并不會(huì)引起兩顆粒間的收縮。這樣的非致密化過程主要發(fā)生在低溫階段，因此應(yīng)減小燒結(jié)過程在低溫下的停留時(shí)間。表 1-2 燒結(jié)過程中的擴(kuò)散機(jī)制Tab.1-2 Diffusion mechanisms of sintering process擴(kuò)散機(jī)制 物質(zhì)來源 致密化表面擴(kuò)散 表面 否晶格擴(kuò)散 表面 否蒸汽壓傳輸 表面 否晶界擴(kuò)散 晶界 是晶格擴(kuò)散 晶界 是晶格擴(kuò)散 位錯(cuò) 是

圖 2-1 焊膏的初始形貌圖（a）TEM；（b）SEMFig. 2-1 Images of the micromorphology of initial paste（a）TEM；（b）SEM 熱行為焊膏的有機(jī)物體系主要由粘接劑、分散劑和稀釋劑組成。納米銀顆粒因能的特點(diǎn)，極易發(fā)生低溫團(tuán)聚，從而降低表面能，這種非致密化擴(kuò)散過影響燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，因此在其中添加分散劑，其作用原理如圖 2-2 所示。端分別為依附于納米銀顆粒表面的酸根官能團(tuán)和自由的碳?xì)滏�，借助于機(jī)物的穩(wěn)定性，避免團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生[43]。含有 α-松油醇的粘結(jié)劑，主要分散的銀顆粒，保證體系的均勻性，同時(shí)可加熱過程中形成裂紋。稀釋短鏈有機(jī)物，用來調(diào)節(jié)焊膏的粘稠性和流動(dòng)性，以便后續(xù)的印刷或涂覆

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2784660