电流烧结纳米银焊膏连接工艺研究及接头可靠性
纳米银焊膏作为一种新型绿色无铅化连接材料,具有良好的机械性能、导电及导热性能,可满足大功率电力电子器件的高温封装要求,正引起电子行业学者和工程师们的广泛关注。它有望取代传统焊料,成为未来电子器件无铅化封装的关键连接材料之一。但是,目前对这种连接材料的研究仍处于初始阶段,尤其针对大面积器件的连接研究主要集中在热压烧结工艺及其力学性能评价方面。因此,本文提出了一种新的快速烧结方法——电流烧结,此方法可实现纳米银焊膏的快速烧结,并对该方法制成的5×5mm2微接头试样的疲劳可靠性进行了研究。这对纳米银焊膏在电子封装领域的应用具有指导意义和启发作用。电流快速烧结技术突破了传统热压烧结技术的部分限制,例如可大幅提高器件连接的效率,为今后开展电力电子器件连接工艺的研究提供了新思路。 通过脉冲交流电流加热的方式实现了纳米银焊膏的快速烧结连接,且连接接头具有良好的剪切强度。研究了不同连接基材、电流大小、通电时间、预热时间、焊膏初始厚度、预热温度对烧结银接头的剪切强度的影响。实验发现电流大小和通电时间对烧结银接头的剪切强度的影响非常明显,随着电流的增大和通电时间的延长,剪切强度获得大幅度提高。但其它因素对烧结银接头剪切强度的影响并不明显。 此外,若将电流烧结技术中施加的交流电改为直流电,可同样实现纳米银焊膏的快速烧结连接,通过剪切实验研究发现,为获得同等水平的银接头剪切强度,所需直流电流远远小于交流电,说明直流电流快速烧结的能效远高于交流电流。因此,采用直流电流烧结纳米银焊膏应是将来的研究重点。 本文还研究了纳米银焊膏电流烧结银接头的可靠性。通过应力控制的方式,利用自主开发非接触测量系统实现了对接头剪切变形的准确测量,对纳米银焊膏电流烧结银接头和传统热压烧结银接头分别进行了剪切循环疲劳试验。通过对两者的剪切疲劳寿命进行对比发现,电流烧结银接头的可靠性优于传统热压烧结银接头。并利用Basquin公式,建立了两种烧结方法获得的烧结银接头的疲劳寿命模型。结果表明,模型预测值与试验值吻合良好。 最后,通过剪切疲劳实验,考察了平均应力、应力幅值对电流烧结银接头可靠性的影响。结果表明,平均应力和应力幅值越大,棘轮变形率越大,疲劳寿命越短。
电流烧结纳米银焊膏;连接工艺;循环剪切;棘轮行为;非接触测量;电子封装;接头可靠性
天津大学
硕士
化工过程机械
陈刚
2013
中文
TG42
70
2014-04-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）