電流輔助燒結(jié)納米銀焊膏的快速互連工藝及機(jī)理研究.pdf

1、納米銀焊膏作為一種新型無(wú)鉛化封裝互連材料，具有優(yōu)良的高溫機(jī)械性能、導(dǎo)電性能以及導(dǎo)熱性能，可滿足大功率半導(dǎo)體器件的高溫、高密度封裝要求，已受到廣泛關(guān)注。以往針對(duì)該材料的工藝研究主要集中于熱壓燒結(jié)連接工藝及其接頭性能方面。但熱壓燒結(jié)連接工藝相對(duì)復(fù)雜，工藝時(shí)間長(zhǎng)。因此本文重點(diǎn)研究一種快速燒結(jié)方法-電流輔助燒結(jié)工藝，可在1秒內(nèi)完成燒結(jié)互連并獲得高強(qiáng)度的接頭。
　　本文首先基于紅外熱像檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)搭建實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)并記錄快速燒結(jié)過(guò)

2、程中焊膏層的溫度分布及演化。結(jié)果表明：焊膏層溫度分為五個(gè)階段：快速升溫階段、緩慢升溫階段、溫度平衡階段、快速降溫階段和緩慢降溫階段。這五個(gè)階段可以通過(guò)調(diào)節(jié)通電電流和通電時(shí)間來(lái)控制。隨后分別研究了不同基材、通電電流和通電時(shí)間對(duì)燒結(jié)連接工藝過(guò)程中焊膏層溫度變化、燒結(jié)接頭剪切強(qiáng)度及剪切斷口的作用規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)焊層峰值溫度高于325℃且通電時(shí)間大于400 ms時(shí)，焊膏層能夠?qū)崿F(xiàn)高度致密化燒結(jié)，形成可靠的燒結(jié)銀接頭。隨著峰值溫度的上升，接頭的

3、剪切強(qiáng)度也不斷增大；隨著通電時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭剪切強(qiáng)度先快速增加，隨后增長(zhǎng)緩慢，并最終達(dá)到飽和，甚至略有降低。除此之外，以通電電流為直流6 kA為例，分析并討論了不同通電時(shí)間的燒結(jié)銀接頭的橫截面的微觀形貌，包括顆粒大小、空隙大小及空隙形狀等。隨后結(jié)合燒結(jié)工藝溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量值，討論并提出了電流輔助燒結(jié)納米銀焊膏的可能物理機(jī)制。本文認(rèn)為，電流輔助燒結(jié)納米銀焊膏的互連工藝可分三個(gè)階段：⑴納米銀顆粒的重排：焊膏中有機(jī)物迅速揮發(fā)促使納米銀顆粒緊密排

4、列，有助于實(shí)現(xiàn)燒結(jié)接頭的快速收縮；⑵局部液相促進(jìn)燒結(jié)致密化：部分納米銀顆粒由于局部高溫發(fā)生局部熔化現(xiàn)象，此時(shí)毛細(xì)引力促使鄰近顆粒排列更加緊密，顆粒之間的液相薄膜會(huì)加速銀原子的相互擴(kuò)散，顆粒頸連程度明顯；⑶塑性變形促進(jìn)致密化：當(dāng)焊膏層平均溫度升高到400℃時(shí)，塑性變形致密化機(jī)制將成為主導(dǎo)，變形的顆粒將分割、填充大的孔洞，促使燒結(jié)接頭可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的快速收縮，而且高溫下接頭中的微觀缺陷也會(huì)加速消失使燒結(jié)接頭更致密，最終燒結(jié)銀接頭的剪