高溫電子封裝界面失效分析及可靠性研究.pdf

1、選擇低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏和銅/三氧化二鋁陶瓷(DBC)基板建立了高溫大功率芯片連接(die-attached)封裝單元，對連接材料失效，連接材料與基板間的界面失效和DBC基板失效機理進行了試驗和理論研究，對高溫功率電子封裝的可靠性具有理論意義和應(yīng)用價值。本論文工作包括以下主要內(nèi)容。
　　 針對連接材料失效，通過溫度循環(huán)試驗、剪切強度試驗及材料微觀形貌觀察，對納米銀焊膏的連接試樣進行了熱疲勞特性研究。結(jié)果表明：燒結(jié)納米銀焊膏是一種含

2、孔隙率超過10％的連接材料。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，納米銀焊膏的孔隙率增加，連接試樣粘接強度降低?；谠囼炗^察到的納米銀焊膏孔隙率演化過程，定義損傷參量與孔隙面積相關(guān)，并考慮了高溫電子封裝單元中界面剪切強度的要求對連接試樣中的納米銀焊膏熱疲勞失效過程建立了損傷力學(xué)模型。為了提高熱疲勞試驗效率，本文采用了機械疲勞試驗代替熱疲勞試驗的方法并引用了Chaboche提出的疲勞損傷模型對納米銀焊膏連接LED芯片的疲勞壽命進行了較好預(yù)測。
　

3、　 針對連接材料與基板間的界面失效，結(jié)合納米銀焊膏的燒結(jié)工藝，通過能譜分析和X射線衍射儀(XRD)的試驗方法考察了銀焊膏的燒結(jié)工藝對連接界面材料組成成份的影響，并利用分子動力學(xué)(MD)模擬的方法，研究了三種不同鍍層類型銅基板(鍍金，鍍銀和無鍍層)與納米銀焊膏在相同燒結(jié)工藝條件下的粘接強度。最后采用納米銀焊膏所連接的試樣進行剪切強度試驗，對分子動力學(xué)模擬的結(jié)果進行驗證。納米銀焊膏與不同鍍層基板間的剪切強度大小關(guān)系與通過分子動力學(xué)軟件計算

4、出的對應(yīng)基板界面發(fā)生剝離時需要的能量大小關(guān)系一致。鍍銀基板最大，鍍金基板次之，沒有鍍層基板最弱。分子動力學(xué)模擬的方法能簡單快速地為評價納米銀焊膏與不同鍍層材料的界面結(jié)合能力提供參考。
　　 針對DBC基板失效，基于描述基板金屬銅層高溫環(huán)境下塑性性能的Chaboche模型參數(shù)、溫度循環(huán)試驗結(jié)果和有限元(FEM)熱應(yīng)力計算方法，對DBC三氧化二鋁陶瓷基板在高溫循環(huán)載荷下的熱應(yīng)力進行了分析，并討論了基板內(nèi)部熱應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布與熱疲勞

5、壽命之間的關(guān)系。最后利用一組倒角長度為1mm基板試樣和一組沒有倒角的試樣在-55℃～250℃做了溫度循環(huán)試驗進一步考察了基板內(nèi)銅層倒角和基板熱疲勞壽命的關(guān)系。結(jié)果表明：基板中銅層上的倒角能改變基板內(nèi)產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力所在的位置和降低基板邊緣處的塑性應(yīng)變值，并能夠延長基板的熱疲勞壽命。
　　 通過DBC基板試樣在不同溫度循環(huán)范圍內(nèi)的熱疲勞試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，借鑒的塑性材料超低周疲勞壽命預(yù)測模型能夠?qū)BC三氧化二鋁陶瓷基板裂紋萌生壽命進行

6、較好分析。為了進一步了解帶裂紋基板的熱疲勞裂紋擴展特性，本文考慮了試樣的長度、寬度和試樣長寬比的影響，設(shè)計了兩種長度，兩種寬度和三種長寬比的四組不同尺寸試樣用于-55℃～250℃溫度范圍內(nèi)的熱疲勞試驗。最后本文利用裂紋熱應(yīng)力強度因子的定義研究了含裂紋DBC三氧化二鋁陶瓷基板的斷裂性能。帶裂紋DBC三氧化二鋁陶瓷基板失效過程大致可以分為三個階段：第Ⅰ階段，裂紋迅速擴展；第Ⅱ階段，裂紋緩慢擴展；第Ⅲ階段，裂紋停止擴展。裂紋擴展速率隨著裂紋長