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《天津大学》 2017年
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裸铜基板上低温烧结银粘接界面的高温演化行为研究

赵素彦  
【摘要】:目前,随着电子产品的微型化、集中化,且应用环境越来越恶劣,传统焊料合金(含铅或无铅钎料)因其低熔点、低工艺温度已不能满足生产需要,如汽车、航空、航天和核能产业等。高温应用替代性互联材料引起国内外研究者的广泛关注。银焊膏因银的高熔点(960℃)、较低的烧结温度(275℃)、良好的导电/导热性(4.1×10~7 S·m~(-1)和240 W·m~(-1)·K~(-1))和良好的可靠性而被认为是有前景的芯片互联材料。但是目前所使用的银焊膏通常需要施加辅助压力,这就为自动化生产增加了工艺难度和制造成本。本文将介绍一种可以实现无压、低温烧结的大范围尺寸分布的银焊膏,并运用DSC、Raman等进行焊膏表征。研究了烧结工艺参数(烧结温度、时间、气氛和烧结银层厚度等)对微观形貌和性能的影响。研究表明,采用该银焊膏在纯氮中(99.99%N_2)270℃保温30 min时实现大面积功率芯片(100 mm~2)粘接,剪切强度超过20 MPa。这是由于在99.99%N_2气氛中烧结时获得致密化银膜(孔隙率约为12%),与此同时,铜基板未发生氧化,银焊膏和裸铜基板间形成强劲的金属键和氢键。为了衡量银焊膏在电子工业中的实际应用,本文根据国际标准JESD22-A103-A选用老化条件对三明治试样(芯片/银焊膏/裸铜基板)进行空气中和低真空中(模拟模块真空密封)老化测试。研究了不同老化条件对电子元器件的热阻、剪切性能和三明治试样的各组成层(尤其是多孔烧结银和铜/多孔多孔烧结银的粘接层)微观结构的影响。研究表明该银焊膏可以作为钎料替代互联材料,无论是空气中还是低真空中,三明治试样均表现为良好的粘接性能和低热阻。但是在空气中高于180~℃老化时,剪切强度开始下降,这主要是由于裸铜基板/多孔烧结银界面处铜氧化所致。相反,在低真空中250~℃老化时,剪切性能和热阻均有所改善。这是由于铜/烧结银界面层仍是简单的铜/银互扩散,且多孔烧结银随高温老化而进一步致密化,附着于大颗粒表面的小颗粒随颈长大而消失,发生晶粒异常长大,表现为横截面上的“银箔”厚度增加。根据上述界面反应(裸铜基板/多孔烧结银)、多孔烧结银微观结构等在不同老化条件下高温老化时研究结果,本文建立了老化时裸铜基板/多孔烧结银界面微观结构演化模型,分析了裸铜基板/多孔烧结银粘接界面在高温老化时扩散过程分析,并研究了多孔烧结银高温老化变形机理。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN405;TG42

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