納米Cu6Sn5焊膏制備與功率芯片貼裝鍵合工藝.pdf

1、近年來，隨著以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體的出現(xiàn)，集成電路發(fā)展超越摩爾定律的夢(mèng)想不再遙不可及。SiC等第三代半導(dǎo)體相比傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體具備更高的禁帶寬度、擊穿電壓與功率密度，更適用于大功率模塊與高溫環(huán)境，這也對(duì)封裝中的芯片粘接材料提出了更高的要求。Cu6Sn5具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)與Cu匹配極好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于納米材料納米尺寸效應(yīng)可使材料的熔點(diǎn)降低，從而達(dá)到低溫連接高溫服役的特性，使得納米焊膏近年來成為電子封裝領(lǐng)域的新

2、興課題。因此，納米Cu6Sn5作為高溫大功率芯片粘接材料具有重要的研究意義。
　　本文首先從配方和工藝兩方面對(duì)納米Cu6Sn5燒結(jié)接頭的剪切強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，將接頭的剪切強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)燒結(jié)品質(zhì)的指標(biāo)。配方上從配制納米Cu6Sn5所使用的表面活性劑、配制焊膏的助焊劑、添加Sn的比例三方面對(duì)接頭品質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化；工藝上，固定燒結(jié)過程的升溫速率，從燒結(jié)溫度、時(shí)間、壓力三方面探究最佳工藝參數(shù)。然后，利用納米Cu6Sn5連接SiC單芯片并測(cè)試其電熱性

3、能，同時(shí)將連接芯片的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能與傳統(tǒng)的無鉛SAC305焊膏、燒結(jié)銀膏對(duì)比，之后再對(duì)三組連接單芯片的樣品做可靠性試驗(yàn)。最后設(shè)計(jì)普遍應(yīng)用的半橋模塊拓?fù)洌⒂眉{米Cu6Sn5完成SiC芯片連接，測(cè)試其在不同溫度下的輸出性能與漏電流等電氣性能。
　　研究結(jié)果表明：配制納米Cu6Sn5最佳的表面活性劑為CTAB，220℃與260℃燒結(jié)時(shí)最佳添加Sn的物質(zhì)的量比例均為27.08％，最佳工藝為260℃40MPa下燒結(jié)20min，此時(shí)接頭剪切

4、強(qiáng)度最高為17.4MPa，通過對(duì)接頭界面進(jìn)行形貌觀察可知260℃下燒結(jié)的接頭相比220℃下燒結(jié)的接頭界面有金屬間化合物Cu3Sn生成，斷口形貌大多數(shù)為層狀撕裂形貌。另一方面，納米Cu6Sn5連接MOSFET單芯片的電性能良好，靜態(tài)輸出曲線與燒結(jié)納米銀、SAC305焊膏兩種材料近似，連接SiC器件的樣品RDSon為144.69mΩ。熱性能上，38μm燒結(jié)銀的熱阻明顯小于其他兩組，而20μm厚的納米Cu6Sn5與75μm厚的SAC305的熱

5、阻相似。納米Cu6Sn5連接半橋模塊在200℃下的高溫仍具備導(dǎo)通性能，該溫度測(cè)得平均RDSon為289.15mΩ，同時(shí)得到了模塊RDSon隨溫度的升高逐漸增加的結(jié)論。最后，納米Cu6Sn5作為芯片粘接材料的可靠性結(jié)果尚不理想，通過界面形貌分析推測(cè)納米顆粒初始的團(tuán)聚導(dǎo)致連接的驅(qū)動(dòng)力變小，界面結(jié)合不穩(wěn)定，在加速熱應(yīng)力的作用下，12小時(shí)后孔洞與裂紋等缺陷迅速擴(kuò)展，最終連接失效。建議今后對(duì)納米Cu6Sn5連接材料的研究上，應(yīng)選擇可以抗團(tuán)聚的分散