无压烧结银-镍互连IGBT电源模块的力、热和电性能

作为一种应用广泛的基板金属镀层,镍在烧结过程中易发生氧化,形成烧结银-镍高性能互连接头较为困难,相关研究报道较少。提出了一种多尺度银焊膏互连材料和烧结银-镍无压互连工艺,研究了在220~300℃烧结10~60 min对烧结银-镍互连封装的IGBT电源模块的力、热和电性能的影响。研究结果表明:得益于多尺度银焊膏的致密堆积烧结,在270~300℃高温烧结30~60 min时镍氧化减缓,在270℃无压烧结30 min互连的芯片抗剪切强度在40 MPa以上,热阻和静态电特性与仿真结果和IGBT芯片数据手册差异性<0.5%,表明无压烧结银-镍互连IGBT芯片具有较高的连接强度、导热和导电性能,可以满足半导体电源模块的互连封装要求。

低温烧结银与金基界面互连研究进展

烧结银具有高导热、高导电以及良好的力学性能,可以实现低温烧结、高温应用,在高温高功率电子器件中有良好的应用前景.目前烧结银与金基界面互连仍存在着抗剪强度低、可靠性差等问题.文中首先比较烧结银与不同界面互连机制和互连性能,着重讨论和归纳烧结银-金互连机制和关键影响因素,然后对现有烧结银-金互连工艺进行分析总结,从烧结工艺、金基界面制备与可靠性等方面展开,最后通过对银-金互连领域研究成果的综述,对银-金互连课题未来发展方向进行了展望.

导热金刚石同大尺寸芯片的低温烧结银连接工艺

通过高导热银浆实现了连接大面积(>100 mm^(2))半导体硅片和金刚石的低温低压烧结技术。通过对金刚石表面镀覆金属薄膜,增强同烧结银界面处固态原子扩散,开发了商用烧结银膏在200℃下低温烧结工艺,得到金刚石-硅的均匀连接界面,计算得到孔隙率约为9.88%,中间烧结银层等效热阻约为1.38×10^(-5)m^(2)·K/W。

基于低温烧结银的航天功率模块基板大面积连接工艺改进

由于传统航空功率模块中大面积基板连接采用锡铅焊料,可靠性不佳,本文采用烧结银进行大面积基板连接,研究了接头的力学性能、断裂模式和显微组织。结果表明:接头力学性能良好,平均剪切强度为45.18 MPa,呈现出内聚失效和韧性断裂模式,粘接层的孔隙率为4.82%,显微结构致密均匀,界面结合良好。改进的大面积烧结银工艺只需印刷一次焊膏,采用快速升温速率提高烧结银致密度,并将烧结压力降至2 MPa,可以满足航天功率模块中基板连接的要求。

基于低温烧结银的封装互连方法研究进展

随着电子电力技术的进步,功率器件朝着高功率密度、高集成度的方向不断发展。互连层作为功率模块热量传输的关键通道,对实现功率模块高温可靠应用具有重要影响。低温烧结银具有工艺温度低、互连强度高、工作温度高、导电性强、导热性强等优异特性,已成为封装互连材料的研究热点。但烧结驱动力需求高、烧结致密度低和"热-机械"应力高等诸多缺陷限制了低温烧结银技术在大面积封装互连领域的广泛应用。文章从材料和工艺角度对现有研究方法和成果进行了归纳总结和比较分析,并在此基础上提出了低温烧结银封装互连技术的研究重点和发展方向,对拓展低温烧结银技术的应用具有重要意义。

宽禁带半导体用烧结银膏与金属化基板连接机制研究

使用烧结银膏作为封装互连材料可以充分发挥宽禁带半导体在器件应用上的优势,并提高器件的可靠性。通过对无压银膏烧结焊点的微观组织、力学性能和失效模式进行分析,系统地研究了无压银膏烧结焊点在不同温度下的组织演变规律,获得了烧结温度、基板金属化类型对烧结银连接性能和可靠性的影响。当烧结温度达到250℃,银界面无压烧结焊点的剪切强度达到60 MPa以上;金界面无压烧结焊点在200℃时剪切强度最高,升高温度会导致烧结银与金界面原子扩散过快,界面结合强度降低;铜界面无压烧结焊点由于氧化严重,界面出现裂纹,剪切强度远低于金、银界面焊点的剪切强度。

高导热烧结银胶的可靠性研究

市场对功率半导体器件的导热和导电性能要求越来越高,经过调查评估找到了一款纳米级烧结银胶。对该纳米级烧结银胶的粘结强度、导电性、调入性和可靠性进行了研究,并与普通铅锡焊料及普通导电胶进行了对比分析,发现纳米级烧结银胶具备粘结强度超强、平均剪切强度稳定、导热导电性能高等特点,并且在经历严格的热应力和机械应力试验后,其粘结强度、导电导热性能保持稳定,没有下降的现象。因此,高导热纳米烧结银胶可作为导热性要求极高的高可靠性应用领域的一种理想材料。

晶圆级封装用半烧结型银浆粘接工艺

选取了一种半烧结型银浆进行粘接工艺研究,通过剪切强度测试和空洞率检测确定了合适的点胶工艺参数,并进行了红外热阻测试和可靠性测试。结果表明,该半烧结型银浆的工艺操作性好,烧结后胶层空洞率低;当胶层厚度控制在30μm左右时,剪切强度达到25.73 MPa;采用半烧结型银浆+TSV转接板的方式烧结功放芯片,其导热性能满足芯片的散热要求;经过可靠性测试后,烧结芯片的剪切强度没有下降,具有较高的稳定性和可靠性,可用于晶圆级封装中功率芯片的粘接。

无压烧结银与化学镀镍(磷)和电镀镍基板的界面互连研究

化学镀镍(磷)和电镀镍是最常用的两种基板镀镍工艺,但是目前关于烧结银与这两种镀镍界面互连的对比研究鲜见报道。提出一种在空气中无压烧结银-镍界面互连的工艺方法,研究烧结温度220~300℃对烧结银与化学镀镍(磷)和电镀镍基板互连强度的影响,并且对比分析化学镀镍(磷)和电镀镍基板的表面形貌与粗糙度、化学成分、晶体结构,以及对烧结银-镍界面互连的连接强度和微观形貌的影响等。研究发现,随着烧结温度的升高,烧结银与化学镀镍(磷)和电镀镍的连接强度都先增大后降低,但是化学镀镍(磷)的富磷成分和非晶结构可以加速银-镍扩散和减缓镍的氧化,烧结银与化学镀镍(磷)的最大连接强度(42 MPa)比电镀镍基板高17 MPa左右。

低温烧结型银基浆料烧结膜孔洞率的研究

观察了低温烧结型银基浆料烧结膜的表面形貌,比较了有机载体含量对浆料烧结膜孔洞率的影响,分析了单一溶剂及混合溶剂有机载体所配浆料的TGA曲线。结果表明:采用混合溶剂可将浆料烧结膜的孔洞率从49.5%降低到21.6%。随着有机载体含量的增加,浆料烧结膜孔洞率增大。当w(有机载体)为21%时浆料可获得较佳的综合性能。

低温烧结型银浆料对半导体芯片贴装性能的影响

研究低温烧结型银/玻璃体系浆料的成分配比、制备工艺及其半导体芯片贴装烧结工艺,探讨浆料中银粉、玻璃粉和有机载体的成分对浆料烧结体的微观组织、热导率、线膨胀系数及芯片组装的剪切力之间的影响关系,利用理论模型计算浆料烧结体的热导率和线膨胀系数,分析其理论计算值与实测值差异的影响因素。结果表明:随着玻璃粉含量的增加,浆料烧结体的线膨胀系数及热导率逐渐降低,当银粉和玻璃粉的质量比为7:3,固体混合粉末与有机载体的质量比为8:2时,芯片贴装后可满足热导率和线膨胀系数性能的要求,同时所承受的剪切力最大。

颗粒形貌对银焊膏无压烧结行为的影响

本工作选用了不同颗粒形貌的烧结银焊膏,通过对银焊膏低温无压烧结性能、焊点显微组织及力学性能进行系统分析,阐述了不同颗粒形貌银焊膏的连接机理。片状颗粒银焊膏无压烧结驱动力较低,烧结表面存在较多的孔隙,对应焊点的抗剪强度仅为9.63 MPa,烧结银层断裂时的塑性变形程度较低;球形颗粒银焊膏具有较大的比表面积,能够实现致密化烧结过程,对应的无压烧结银焊点的抗剪强度可以达到25.3 MPa,烧结银层在断裂过程中具有一定程度的塑性变形;复合颗粒银焊膏的焊点抗剪强度则能达到32.5 MPa,主要原因是复合颗粒银焊膏具有更大的堆垛密度和烧结驱动力,同时纳米银颗粒能够有效填充大尺寸银颗粒孔隙,对应的焊点烧结银层呈现出典型的塑性变形特征。

无压低温烧结纳米银封装电力电子器件的进展与思考

无压低温银烧结技术是高功率密度SiC器件的无铅化关键互连技术,对SiC功率模块的可靠性提升具有重要的意义。针对典型Si基功率模块封装连接工艺及其可靠性,阐述了当前无压低温纳米银烧封装技术的进展与思考:(1)讨论了电力电子器件封装连接可靠性的典型风险和原因;(2)介绍了无压低温连接技术的最新发展;(3)基于Si基典型功率模块封装向高可靠SiC功率模块转变过程中在封装结构和材料方面的需求,阐述了无压低温银烧结技术在引线型、平面型和双面冷却功率模块封装方面的进展;(4)提出无压低温银烧结技术当前有待解决的技术难题。

银烧结技术在功率模块封装中的应用

银烧结技术是一种新型的高可靠性连接技术,在功率模块封装中的应用正受到越来越多的关注。作为传统软钎焊技术的替代方案,银烧结技术在宽禁带半导体封装中具有良好的应用前景。阐述了银烧结技术原理,介绍了目前银烧结技术在功率模块中的应用情况,总结了影响银烧结层质量的因素,并从检测手段、材料成本及专利方面对银烧结技术的应用前景进行了展望。

无压惰性气氛银烧结层空洞率影响因素研究

在Si C功率模块的封装中,银烧结技术被认为是连接芯片到基板最为合适的技术。裸铜表面无压银烧结技术无需在芯片表面施加压力,降低芯片损伤风险;基板铜层无需贵金属镀层,提高了烧结层的可靠性,降低了材料成本。对裸铜表面无压银烧结技术展开研究,对于6.3 mm×6.3 mm及以下面积的芯片得到了空洞情况良好的烧结层。对影响烧结层空洞率的因素进行了研究,分析了芯片面积、烧结温度曲线、抽真空步骤和贴片质量对烧结层空洞率的影响。

银烧结技术在压接型IGBT器件中的应用

银烧结技术具有低温连接、低热阻、低应力和高熔点等特点,已成为保证绝缘栅双极型晶体管(IGBT)界面连接的可靠性应用技术。文章分析了银烧结技术工艺和引入银烧结技术的压接型IGBT器件结构组成;利用有限元方法对比分析了银烧结子单元和焊接子单元封装的2种压接型IGBT器件热阻差异;通过压降参数、压力均匀性、热阻特性和长周期功率循环界面可靠性这4个维度对比了银烧结IGBT器件和常规焊接IGBT器件的特性差异。实际应用证明,引入银烧结技术的压接型IGBT器件,其可靠性得到了大幅度提升。

IGBT模块银烧结工艺引线键合工艺研究

主要研究了应用于IGBT模块封装中的银烧结工艺和铜引线键合工艺,依据系列质量表征和评价方法,分别验证并优化了银烧结和铜引线键合的工艺参数,分析了衬板镀层对烧结层和铜线键合界面强度的影响,最后对试制的模块进行浪涌能力和功率循环寿命测试。结果显示,与普通模块相比,搭载银烧结和铜线键合技术的模块浪涌能力和功率循环寿命均有大幅的提升,并且银烧结和铜线键合界面未见明显的退化。

氮化镓器件芯片表面银迁移抑制方法研究

封装贴片所用烧结银胶中的银元素有可能在高温高湿度条件下转化为离子并在高电场作用下沿芯片表面迁移从而导致器件电极间漏电甚至短路。本研究工作采用高加速应力实验(HAST)作为加速检验手段,通过对失效样品的物理分析,首先确认了银迁移是引起所观察到失效的根源。器件表面电场模拟结果显示,引入适当的环形屏蔽电极可以有效降低关键区域的电场强度。实验结果证实采用了带有优化设计屏蔽电极芯片的产品其芯片表面的银迁移现象得到了充分抑制,极大提高了采用烧结银胶贴片工艺生产的氮化镓器件的可靠性(栅漏电异常比例由48%降为0%),使其达到满足实际工业应用的水平。

芯片贴装用银浆料的热物理与力学性能

针对集成电路半导体芯片贴装,替代金-硅共熔焊或导电胶类粘结剂,研制了一种由银粉、玻璃粉和有机载体组成的低温烧结型银基浆料,其烧结温度峰值为430℃。研究了浆料的成分配比、工艺及其芯片贴装烧结工艺对浆料烧结体的微观组织、αL、λ、芯片组装的剪切力和热循环对芯片剪切力的影响规律。结果表明,当ζ(银粉:玻璃粉)=7:3,ζ(固体混合粉末:有机载体)=8:2时,芯片贴装后的综合性能最佳,冷热循环500次后其剪切力仅下降15%。

全烧结型SiC功率模块封装设计与研制（英文）

针对功率模块高可靠性、宽工作温度范围(-60oC^200oC)的应用特点,研制了一种基于全烧结技术的无键合线、无底板、紧凑型平面SiC功率模块,讨论了SiC模块封装设计及低电感柔性PCB互连技术;为了提高功率模块的可靠性及耐高温性能,采用低温银烧结技术替代传统钎焊焊接工艺,所研制功率模块搭载了SiC JFET和SiC SBD芯片组。测试结果表明,所研制的SiC功率模块具有良好的开关性能。