论文总字数：23442字

摘 要

功率电子器件内部芯片互连层是连接芯片与基板的核心部件，需要极高的可靠性。目前纳米银烧结技术是制备功率电子器件芯片互连层的主流方法，但是孔隙率是制约其广泛应用的主要原因。因此研究影响孔隙率的各项因素对于提高纳米银焊点可靠性具有重要的指导意义。

在本论文中，主要针对纳米银烧结接头处的组织形貌和孔隙率进行研究。通过调研相关研究，对纳米银焊点孔隙率的不同影响因素及机理进行分析和归纳总结。研究结果表明：纳米银焊膏自身材料参数及烧结工艺参数对孔隙率均有影响。焊膏内部添加的有机物易在烧结过程中充分挥发，或者降低有机物焊料，可促进烧结过程更充分进行，烧结组织也更致密；仅用一种尺寸的银颗粒制备单一尺寸的纳米银焊膏时，银颗粒尺寸越小，烧结体越致密，但与采用两种或以上尺寸的银颗粒制备的焊膏相比，单一尺寸纳米银焊膏在烧结前堆垛密度低，故而烧结后孔隙率更大。烧结工艺参数方面，烧结气氛中气体在固体中越易于扩散，越利于有机包覆层分解，得到越致密的烧结组织，孔隙率也降低；随着烧结温度、升温速率、保温时间或烧结压力的增加，孔隙率会逐渐减小，但物极必反，若温度过高、保温时间过长，会导致烧结组织粒径粗化，孔隙率增大；升温速率过快，会导致有机物不完全挥发且易产生大裂纹；压力过大，造成电子器件容易损坏。

关键词：高温功率电子；纳米银烧结；烧结工艺；孔隙率

Abstract

In power electronic devices, the chip interconnection layer is an important component connecting the chip and substrate, which needs high reliability. At present, nano silver sintering technology is the main method to prepare the interconnection layer of power electronic device chip, but the porosity is an important reason to restrict its application. Therefore, it is significant to study the factors that affected the porosity for improving the reliability of nano silver solder joints.

In this paper, the microstructure and porosity of the sintered joints of nano silver were studied, and the effect of different factors on the porosity of the sintered joint were analyzed. The results show that the porosity is affected by material parameters of nano silver paste itself and the sintering process parameters. The organic matter added in the solder paste is easy to volatilize in the sintering process, or the organic solder is reduced, which can promote the sintering process to be more fully carried out and the sintering structure to be denser. The smaller the silver particle size, the denser the sintered body will be when the single size silver solder paste is prepared by using only one size of silver particles. However, compared with the solder paste prepared with two or more sizes of silver particles, the single-size silver solder paste has lower stacking density before sintering, so the porosity is higher after sintering. In sintering process, the more easily the gas diffused in the solid and the easier the decomposition of the organic coating, the smaller the porosity of the sintered structure is. With the increase of sintering temperature, heating rate, holding time or sintering pressure, the porosity decreases gradually. But things will develop in the opposite direction when they become extreme. If the temperature is too high or the holding time is too long, the grain coarsens and the pores become larger. If the heating rate is too fast, the volatilization of organics is not complete, and it is easy to produce large cracks. If the pressure is too high, the electronic devices are easy to be damaged.

Key Words：High temperature electronics； Nano silver sintering； Sintering process；Porosity

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 低温互连工艺 2

1.3 纳米银烧结 3

1.4 本文的研究意义和主要工作 6

第2章 纳米银焊点的制备 7

2.1 实验材料及设备 7

2.1.1 实验材料 7

2.1.2 实验设备 7

2.2 实验过程 9

2.3 烧结互连层微观形貌表征 10

第3章 实验结果分析 11

3.1 互连层界面形貌分析 11

3.2 产生孔洞及裂纹原因分析 11

3.3 孔隙率的测定 12

3.4 研究方案设计 13

第4章 孔隙率影响因素 16

4.1 有机物的影响 16

4.2 银颗粒的影响 17

4.3 烧结气氛的影响 18

4.4 烧结温度的影响 19

4.5 升温速率的影响 20

4.6 保温时间的影响 21

4.7 烧结压力的影响 23

第5章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2 展望 25

参考文献 26

附录 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1引言

随着科技的进步，可实现高效电能转换的功率模块在高性能汽车、轨道交通、航空航天、国防军工和深层油气钻探等领域广泛应用，大功率领域要求功率模块能够在更加苛刻的服役条件下工作。碳化硅（SiC）等材料因具有禁带宽度大、临界击穿场强高、热导率高的特性，且SiC基器件能应用于高压、高功率及耐高温的环境，所以 SiC 材料已成为当今电力电子领域的研究热点^[1]。然而，适用于低温的电子封装材料与工艺却限制了SiC 器件在实际应用中优异性能的体现。因此，为了使 SiC 器件等大功率电力电子器件在高温下可靠工作，就必须要解决与其相关的电子封装材料和工艺的问题。

高铅焊料(Pbgt;85 wt%)在微电子封装的高温领域中曾广泛应用，但Pb是一种非常有害的元素，不仅会对环境造成污染，也会损害人体健康。目前，全球无铅化已成为一种趋势，各项相关法律法规的出台和实施使得高铅焊料的应用愈来愈少^[2]。

现如今也开发出了许多适用于高温环境的无铅钎料，如 Au基共晶钎料、Zn基钎料、Bi基钎料等，表1-1列出了其中一些典型钎料的特点。从表格中可以看出这些无铅钎料都或多或少地存在各种缺点，如成本高、可焊性差、机械性能差等，难以实现广泛应用。

表1-1 无铅高温连接钎料特点

1.2低温互连工艺

如果仅从提高焊料熔点，而不改变传统软钎焊工艺的使用这个角度来实现高温连接高温服役的话，很容易对电子器件造成热破坏。所以目前研究人员的思路是寻找一种可实现低温互连并能在高温下服役的封装工艺。关于这方面的研究，已有不少成果。当前国内外已使用或正在研究的方案有：固液互扩散连接（SLID）、瞬时液相烧结（TLPS）和低温银烧结技术等。

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