功率芯片封装用焊膏设计及互连接头可靠性研究
以SiC和GaN为代表的第三代半导体芯片可显著提高能量利用率，凭借宽的禁带宽度和优异的耐热性能，在高电压和高电流密度下稳定服役。然而，高体积功率密度导致芯片结温升高，相应封装互连材料受到考验，用烧结银来替代传统的锡基钎料，满足功率芯片与基板的高温服役要求，但是银的成本较高限制了其在芯片封装领域的广泛应用，铜兼具低成本和优良的导热性能，可以作为功率芯片之间的互连材料，但是铜烧结的温度较高，不利于芯片互连结构在低温连接高温服役的要求。 本文提出了一种复合型银铜烧结焊膏用于功率器件的封装，采用平均粒径为2μm的片银和球银以及平均粒径为2μm的片铜和球铜来制备复合焊膏，焊膏中银的质量分数分别为60%，90%，在250℃、20MPa、300s的参数下制备复合焊膏的互连接头。测试了不同银含量以及不同颗粒形状组合下复合焊膏互连接头的力学性能以及导热性能，研究了不同形貌组合差异、颗粒含量配比等因素对于焊膏的综合性能影响。结果表明：质量分数为60%片银和质量分数为40%球铜的复合焊膏在烧结后剪切力学性能最佳，达到了47.42MPa的平均剪切强度，片银球铜组合的复合焊膏互连接头的剪切强度为球银片铜复合焊膏互连接头剪切强度的2倍。90%片银和10%球铜的复合焊膏互连接头平均剪切强度达到了69.79MPa为球银片铜复合焊膏互连接头强度的2倍多，综合剪切强度以及经济效益选择60%银含量的复合焊膏做温度循环测试。用60%片银和40%球铜的复合焊膏来制备互连接头，在-40℃~125℃的温度区间经过1100循环周次测试后，平均剪切强度达到了67MPa，与未经过温度循环的试样相比，剪切强度提高了41%。分析烧结组织和断口，发现烧结组织随着循环周次的增加组织的致密性提高，通过SEM观察断口发现，在断裂位置有非常明显的韧窝存在，同时在断裂位置可以观察到银的蠕变。对温度循环过程的复合焊膏接头进行数值模拟分析，发现在温度循环过程中烧结层存在着往复的塑性应变，材料热膨胀系数的差异造成烧结层在温度循环时受到往复的切应力作用。 综上，可以得到质量分数为60%片银和40%球铜的复合焊膏烧结性能可以满足应用要求，温度循环1100周次后接头强度提高了41%，表明此复合焊膏有较高的可靠性。
半导体芯片;封装工艺;焊膏设计;互连接头;力学性能
哈尔滨理工大学
硕士
材料加工工程
刘洋
2022
中文
TN43;TN405
2022-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）