【摘要】：集成電力電子模塊的高功率密度、高可靠性的需求對芯片級互連技術(shù)提出了更高的要求。納米銀焊膏因為燒結(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化推廣。同時,對于納米銀焊膏的應(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。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。本文提出一種微-納顆�；旌香y焊膏,通過低溫?zé)o壓燒結(jié),實現(xiàn)裸銅連接。通過熱重和拉曼測試方法研究燒結(jié)氣氛對焊膏熱解行為的影響,結(jié)果表明氧是焊膏實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)的必要條件。以剪切強度和瞬態(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,265°C燒結(jié)裸銅接頭性能最佳(剪切強度53 MPa,瞬態(tài)熱阻0.132°C/W)。低真空燒結(jié)時,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)裸銅接頭在實際應(yīng)用的可靠性,本文進一步實施了溫度循環(huán)可靠性測試。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)和界面的擴散行為,本文提出了微-納顆�；旌香y焊膏的燒結(jié)機理,不同氧含量下的界面連接機理,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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：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、標準化最有效的[1-4]，即在滿足系統(tǒng)電氣、熱學(xué)、機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)動和控制電路、保護電路等輔助設(shè)備于的綜合設(shè)計，如圖 1-1 所示。同時寬帶隙功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，也推動了模塊的發(fā)展，如碳化硅（SiC）器件因較高的關(guān)鍵性電場，可允許較薄的芯計和高摻雜漂移層，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)機理[28-29]。圖1-2為利用兩個等徑顆粒組成的雙球簡化模型來分析燒結(jié)過程。致密化過程主要于晶界擴散和沿晶擴散機制有關(guān)。原子沿接觸面和晶界面擴散，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。而對于通過晶格擴散和表面擴散的原子只是沿著接觸面移動，并不會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間。表 1-2 燒結(jié)過程中的擴散機制Tab.1-2 Diffusion mechanisms of sintering process擴散機制 物質(zhì)來源 致密化表面擴散 表面 否晶格擴散 表面 否蒸汽壓傳輸 表面 否晶界擴散 晶界 是晶格擴散 晶界 是晶格擴散 位錯 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，極易發(fā)生低溫團聚，從而降低表面能，這種非致密化擴散過影響燒結(jié)驅(qū)動力，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和自由的碳氫鏈，借助于機物的穩(wěn)定性，避免團聚現(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，同時可加熱過程中形成裂紋。稀釋短鏈有機物，用來調(diào)節(jié)焊膏的粘稠性和流動性，以便后續(xù)的印刷或涂覆

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 李志剛;張亞玲;曹博;王美茹;鄒策策;;IGBT熱阻測量方法的綜述[J];電子元件與材料;2015年09期

2 陳明;胡安;;IGBT結(jié)溫模擬和探測方法比對研究[J];電機與控制學(xué)報;2011年12期

3 張建華;張金松;華子愷;;芯片高密度封裝互連技術(shù)[J];上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2011年04期

4 鮮飛;;芯片封裝技術(shù)的發(fā)展歷程[J];印制電路信息;2009年06期

5 王建岡;阮新波;;集成電力電子模塊封裝的關(guān)鍵技術(shù)[J];電子元件與材料;2008年04期

6 劉希真,周文俊,宋清虹,黃國元,蘇英姿;控制電磁爐的IGBT準諧振電路的拓撲研究[J];天津大學(xué)學(xué)報;2002年06期

7 劉希真,周文俊,尤佳,張立;IGBT工作結(jié)溫的狀態(tài)識別[J];天津大學(xué)學(xué)報;2002年02期

8 馮士維,謝雪松,呂長志,張小玲,何焱,沈光地;半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測量與分析[J];半導(dǎo)體學(xué)報;1999年05期

本文編號：2784660