高密度電子封裝用納米銀互連材料的疲勞失效行為研究.pdf

1、納米銀焊膏作為一種新型無鉛化芯片互連材料，具有良好的機(jī)械性能、導(dǎo)電性能以及導(dǎo)熱性能，可滿足大功率電力電子半導(dǎo)體器件的高溫、高密度封裝要求。隨著具有高頻、高溫應(yīng)用特性的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，納米銀焊膏被視為未來第三代半導(dǎo)體器件高密度、高溫封裝的關(guān)鍵互連材料之一，已引起廣泛關(guān)注。由于寬禁帶半導(dǎo)體器件可能運(yùn)行在極端的溫度環(huán)境中（-55℃至250℃），因此，研究作為器件互連材料的納米銀焊膏的疲勞失效行為的意義重大。
　　本文采

2、用高分辨率電荷耦合元件(CCD)搭建非接觸位移測試系統(tǒng)，配合電子萬能疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)、紅外輻射加熱裝置、水冷系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)連續(xù)測量納米銀互連焊層在不同溫度環(huán)境中的載荷-位移關(guān)系，利用“軟傳感器”將相對位移值與施加載荷值同步輸出，實(shí)現(xiàn)研究燒結(jié)納米銀互連焊層在不同溫度下的疲勞失效行為。
　　室溫下，本文研究了應(yīng)力率、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值及應(yīng)力比等因素對燒結(jié)納米銀互連焊層的疲勞失效行為（棘輪行為）及其疲勞壽命的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著平均應(yīng)力

3、，應(yīng)力幅值和最大應(yīng)力的增加，應(yīng)力比和應(yīng)力率的減小，燒結(jié)納米銀互連焊層的壽命縮短；當(dāng)應(yīng)力幅值較大而平均應(yīng)力較小時(shí)，材料的棘輪失效主要?dú)w于低周疲勞破壞，當(dāng)平均應(yīng)力較大而應(yīng)力幅值相對較小時(shí)材料的棘輪失效主要?dú)w于較大的棘輪變形引起的棘輪失效。此外，還利用三種考慮平均應(yīng)力的壽命預(yù)測模型：Smith-Watson-Topper(SWT)模型, Gerber模型和Goodman修正模型，對燒結(jié)納米銀互連焊層的疲勞壽命進(jìn)行分析預(yù)測。通過模擬結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)

4、，采用Goodman修正模型的燒結(jié)納米銀互連焊層的壽命預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為吻合，因此，Goodman修正模型可用于預(yù)測芯片互連材料的疲勞壽命。
　　高溫下，本文還研究了溫度、平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值等因素對燒結(jié)納米銀互連焊層的疲勞失效行為及其疲勞壽命的影響，并提出了溫度相關(guān)的Goodman修正模型，可實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確預(yù)測納米銀互連焊層的疲勞壽命。本文還通過對比納米銀與SAC305無鉛焊料合金的高溫疲勞失效行為，發(fā)現(xiàn)在相同載荷條件下，燒結(jié)納米