（化工过程机械专业论文）低温烧结纳米银焊膏高温蠕变性能研究.pdf

摘要 本文研究了新型热界面材料低温烧结纳米银焊膏薄膜的高温蠕变行为。纳米 银焊膏薄膜以烧结理论和纳米颗粒特性为依据，在低温下烧结制成，是具有一定 孔隙率的银质薄膜，拥有优良的电热性能。 蠕变试验温度范围为1 0 0 至1 7 5 ，应力范围为2 御a 至7 5 a ，试验结 果表明：低温烧结纳米银焊膏薄膜在试验范围内具备一定的蠕变抗力，整个蠕变 过程中，稳态蠕变阶段占据大部分时问，其稳态蠕变速率约为1 0 6 1 0 一s 。在该 试验范围内可以采用幂律蠕变方程描述其蠕变过程随着温度及应力的变化关系。 应用多种方法对纳米银焊膏薄膜蠕变断裂寿命做出预测，研究表明：采用经 验公式预测其蠕变断裂寿命不适宜；使用m o 血1 a n g r a n t 关系可以较准确的预 测，但其适用范围要求材料必须满足幂律蠕变本构关系；l a r s o n 。m i l l c r 参数法的 研究采用近似的方法，获得了该材料较明显的l a r s o n m i l l e f 参数变化规律，并对 其参数整理方法做出了分析。e 函数法很好的描述了纳米银焊膏薄膜的蠕变过 程，并可以通过该方法获得更为准确的稳态蠕变速率。 对低温烧结纳米银焊膏薄膜的损伤演变规律研究表明，该材料在达到其寿命 的o 6 至0 8 倍时会进入蠕变加速阶段。分别采用r 0 b t o n o v 损伤演变理论和耗散 功率模型对其损伤演变过程进行分析，二者的分析结果相近，但是r o b t o n o v 损 伤演变理论的分析结果更趋向于保守。 关键词：纳米银焊膏，蠕变，蠕变断裂寿命，损伤演变 a b s t r a c t t h ec r e 印b e h a v i o ro fn a i l o - s c a l es i h 惯p a s t eh a sb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s t h ef i l m so fn a n o - s c a l es i l v e rp a s t ew e r em a d ew i ml o w - t e m p e r a t u r es 缸e r e d t o c l l i l o l o g ) ，a c c o r d i n gt 0t 1 1 e 仃a d i t i o n a ls m e r e dm e o 巧孤dt h ec h 啪c t 嘶s t i c so fn 锄o p a r t i c l e i ti sap o r o u ss i l v e rf i l i n ，w i t l lg o o dc o n d u c t i v i t y 锄dt 1 1 e m a lc o n d u c t i v i 够 t h ec r e e pt e s t sh a v eb e e np e r f - o m e df o rt e m p e r a t u r e sr a n g i n g 丘o m10 0 t o 1 7 5 a i l df o r 蛐r e s s 盱o m2 m e at o7 5 k 田a t h e 咖d yo f 也ec r e e pb e h a v i o ro f n 趾。一s c a l ep a s t eh a sr 钾e a l 酣锄o r d i l l a 巧c r e 印r e s i s t 锄c ei nt l l ee x p 嘶m e n t a l 砌g e t h es t e a d y _ s t a t ec r e e ps t a g eo c c u p i e dm o s to ft h ec r e 印t i m e ，i ti ss i m i l a rw i mal o to f 仃a d i t i o n a lm c t a l s a n dt l l es t e a d y - s t a t ec r e c ps t r a i nr a t ei sa _ b o u tlo l 10 8 s 一 m o r e o v e r ，d o me n e r g yl a wc 觚b eu s e dt 0m e i p r e tp h e n o m e n a l l yt h er e l a t i o n s h i p o ft h es t e a d y - s t a t ec r e 印r a t ew i 也s 臼e s sa n dt e m p e r a t i l r e m 趾ym e m o d sc 锄b eu s e df o rc r e 印m p 劬陀l i f ep r e d i c t i o no f n a n o s c a l es i l v e r p a s t e ni sn o t 印p r o p r i a t e 也a tu s i l l ge m p i r i c a lf i o n n u l at op r e d i c t 也ec r e e pr u p m r e l i f e u s i n gt h em o l l i 【m 觚一g r a n tr e l a t i o n s h i pc 粕g e tam o r ea c c w a t ep r e d i c t i o n ，b u t t h en a n o s c a l es i l v e rp a s t em u s tm e e tt l l ed o me n e 唱yl a w u s i n ga p p r o x i m a t e m e t h o do b t a i n e dl ，剐圆d n m i l l e rp a r a m e t e ro f 啪。一s c a l es i l v e rp a u s t e ，觚dt l l ev a r i a 6 0 n o fl a r s o n m i l l e rp a r 锄e t e ri sv i s i b l e op r o j e c t i o na c c 啪t e l yd e s c 抽e sm ec r e 印 p r o c e s so fn 跹。一s c a l es i l v c rp a s t ef i l m ，趾da c c o r d i n gn l i sm e m o d ，t l l em o r ea c c w a t e s t e a d y s t a t ec r e 印s 廿a i nr a t ec 锄b eo b t 出e d t h er e s e a r c ho fd a m a g ee v 0 1 u t i o no fn a n o s c a l es i l v e rp a s t e 丘l mh a sr e v e a l e dt h a t t h i sm a t 耐a lr e a c h e d0 6t o0 8t i m e so fi t sc r e e pn l p t u 旺el i f e hb e c 孤n en ol o n g e rs a f e u s i n gr o b t o n o vd a m a g et h e o r i e s 锄dt 1 1 ep o w e rd i s s i p a t i o nm o d e lt o 觚a 1 ) ，z e ，也e r e s u l t so ft h e 俩od 锄a g ct l l e o r i 鼯w e r es i m i l 瓯b u tm er o b t o n o vd 锄a g et h e o r y r e s u l t sa r e1 1 1 0 r eo o n s e r v a t i v e k e yw o r d s ：n 趾0 一s c a l es i l v e rp a s t e ，c r e e p ，c r e e pm p t u r el i f e ，d a m a g ee v o h l t i o n 第一章文献综述 1 1 微电子封装概述 1 1 1 微电子封装的作用 第一章文献综述 微电子技术的核心是集成电路( i c ) ，要实现i c 芯片的功能，就要靠连接引 出信号，即靠封装组成半导体器件。因此微电子领域的两大关键技术即是芯片制 造和微电子封装。微电子封装的作用可以简单的概括为以下四种嘲：( 1 ) 信号的 输入、输出端向外界的过渡手段：( 2 ) 电源的输入、输出端同外界的过渡手段：( 3 ) 冷却与散热：( 4 ) 保护器件不受外界环境的影响，如图1 1 所示。 ( a ) s i g n a ld i s t “b u 6 0 n f i f n 冀曩f 丁钉7 r i j 里好爰 s 乏一 ；t 蒴气f 瓠 rftr “ ( b ) p o w e rd i s t r i b u t i o n 【d ) p a c k a g ep r o t e c i o n 图1 1 电子封装的主要功能 f i g - 1 - 1n e 瑚i n t i o no f e l e c 打o n j cp a c k a g 迦 1 1 2 功率电子封装的发展概况 随着电子产品的迅猛发展，面对集成电路乃至电子整机系统的小型化、多功 能化、可靠性和成本的要求，对微电子封装技术的要求也越来越高，微电子封装 技术一直紧紧追随着集成电路的发展不断地进步。 争 ：霄r r 。 、 鼻蝤篇 第章文献综述 微电子技术的发展先后经历了晶体管时代、集成电路( i c ) 时代、大规模集成 电路( l s i ) 时代、超大规模集成电路( v l s i ) 时代，以及u l s i 时代和g l s i 时代 若干个阶段强】。微电子技术的发展的同时，微电子封装技术也相应的经历了2 0 世纪七十年代的针脚插装( p t h ) 封装阶段，八十年代中期开始的以四边引线扁平 封装( p q f p ) 结构为主的表面贴装技术阶段【4 】，九十年代的以球栅阵列( b g a ) 、 倒装芯片( f c ) 和多芯片组件( m c m ) 等为代表的封装技术阶段，此外还有芯片尺 寸封装( c s p ) 和芯片直接倒装贴装技术( d c a ) 【5 】等等，图1 2 反映了微电子封装 技术的演变过程【6 j 。 图1 2 微电子封装技术的发展过程 f 适1 21 1 1 ed e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c 缸d n i cp a c l ( a g i n g 妣h n o l o g y 然而，目前功率半导体器件的工作温度越来越高，比如在温度达到3 5 0 的 条件下s i c 和g a n 等宽禁带半导体器件的转换特性和工作能力仍然非常良好， 这对功率电子器件是严峻的考验。 一般来说，从由硅圆片到制作出各类芯片的过程，微电子封装可以划分为三 级【7 j ，其中对功率电子系统起着关键作用的是一级芯片互连工艺，这是因为它直 接接触功率芯片，而这些芯片包含着很高集成度的晶体管电路，它们与封装的电、 热和机械性能息息相关，所以一级封装必须能满足用于微电子集成电路芯片的特 殊要求。 目前，主要用于芯片级的互联技术包括 8 】： ( 1 ) 懒o n d 引线键合：用细金属丝将芯片加焊盘和对应的封装体上的焊 盘一次连接根对应的连接起来【9 】。( 2 ) t a b 载带自动焊：载带内引线与i c 键合， 外引线与常规封装或印刷线路板键合，整个过程自动完成【1 0 】。( 3 ) 倒装芯片技术： 第一章文献综述 通过芯片上的凸点结构和一定的键合材料将芯片i o 和基板连接j 。 而可以实现功率器件电气连接的封装工艺主要是第一种和第三种，但是在高 温环境下引线容易发生电迁移，而且目前由于倒装芯片技术快速的发展，使得芯 片的互联逐渐摆脱了由引线键合带来的散热能力差，集成困难等问题的困扰。所 以现在主要应用倒装芯片互联实现功率器件的连接与封装，它的工艺有焊料互连 和导电胶互连两种【i2 j i l 引。 但是在高温时，焊料合金易发生回流塌陷、导电胶易发生分解固化，所以这 些常规的互连方式将不再适用于高温功率电子器件的封装。尽管像高铅焊料这种 高熔点的锡铅焊料仍可使用，但是从安全与环保角度考虑已经逐渐禁止使用。 银焊膏由于其优异的电热性能也广泛的应用到了微电子封装中 m ，但是因为 微米级的银粒子通常需要很高的烧结温度( 5 0 0 ) ，故而现在多采用加压辅助烧 结银焊膏的方法，如图1 3 所示。烧结理论指出，加压烧结可以降低银焊膏的烧 结温度，c h e n 【15 j 等人指出加压烧结是降低烧结温度的可行办法，这一点已经有 许多学者的研究得以说明。 芯片 烧结锭层 d b c 基扳 图1 3 压力辅助下银粉烧结示意图 f i g 1 - 3s c h 锄撕co fap r e s s w e 一雒s i s t e ds i l v e rp a 咖s 妇血gs e 唧 表1 1常用焊料、压力辅助烧结银粉和纯银的物理性能 t d b l e1 2p r o p 硎髓o f s o m em i c r o e l e c 仃o n i cp a c l c a g i n gm a t e r i a l sa n dp u r es i l v e r 第一章文献综述 采用加压辅助烧结的方法，银焊膏与合金焊料相比，其材料的导电、导热性 能都远强于合金焊料，且其机械性能也对焊料来说有很大的提高。l u 1 川的研究 也指出了加压辅助低温烧结银焊膏是一种能够替代焊料回流连接工艺的芯片连 接技术。 表1 1 列出了目前比较常用各种焊料以及加压烧结银焊膏的性能，并将纯银 的性能并列入以便于对比，显而易见银焊膏的材料性能比较优越，且在高温状 态下其性能和可靠性更高【| 7 【1 8 。但加压会增大设备投资，使制造过程复杂化， 同时所施加压力对芯片也会造成损伤，所以这种技术还很难在工业中应用。 1 2 纳米银焊膏的研究概况 1 2 1 纳米银焊膏的制备 由于烧结银焊膏要在较低温度下进行，现在降低烧结温度的方法有前文提及 的加压辅助烧结法和减小粒子直径的纳米金属烧结。因为根据烧结理论中的 h e n 证9 定律可知，颗粒的烧结温度和颗粒的尺寸成反比，所以纳米尺寸的颗 粒的烧结温度要远低于微米级颗粒。 图1 4 纳米银焊膏的致密化过程s e m 照片 f i g l4 也ed e n s i 丘c a d o np r o c e s so f n 翘。一s i l v e rp a s t e l u 等人研制出了制备纳米银焊膏的工艺流程，使用可粘接银粒子官能团的 碳氢化合物和有机粘接剂、稀释剂，制备出粒子直径为3 0 i 皿的银焊膏，若将其 印刷在陶瓷基板上，再按照烧结工艺曲线烧结，如图1 4 银焊膏在烧结过程的致 密化过程s e m 照片所示：0 l ，银薄膜的致密程度将逐渐变大，烧结结束后可得到 第一章文献综述 致密度达到8 0 的银质薄膜。 1 2 2 纳米银焊膏的研究概况 目前，对纳米银焊膏的研究主要有材料的烧结工艺、导电性能、传热性能以 及机械性能，包括材料烧结温度、烧结时问、导电率、粘接的剪切强度、薄膜拉 伸强度、孔隙率的影响等等。 j o h ngb a i 【2 l 】等学者对纳米银焊膏做出了大量的研究，他们的研究指出，由 纳米银焊膏烧结成的银质薄膜的导电性非常优越，比目前常用的焊料电阻率小很 多。如图1 5 所示，可以看出用纳米银焊膏烧结成的银质薄膜的导电性能与纯银 非常接近，且电阻率小于微米级烧结的银膜，而各种锡铅焊料的电阻率都比纳米 银焊膏薄膜高出三到四倍。 此外，他们的研究显示，低温烧结纳米银焊膏烧结膜的弹性模量约为9 g p a f 2 j 】， 与许多焊接金属相当，烧结膜的弹性模量比大块的金属银小，弹性模量越低，可 以更好地承受应力引起的热膨胀失配，除此之外，纳米银焊膏薄膜的强度也与普 通焊料相当，达到了4 3 a 。 图1 5 几种半导体互联材料导电性能比较 f 远1 5c o m p 撕s o n o fe l e c t r i c a lr 髑i s d 、，i t yo fs e v e r a lp o s s i b l e 姐t e i j a l s 五竹 s e m i c o n d u c t o rd e v i c ei | 他r c o n n e c t i o n j o h ngb a i 等学者还对纳米银焊膏粘接试样的剪切强度进行了研究例，将纳 米银焊膏粘接于镀银d b c 基板上在3 0 0 下保温4 0 分钟，剪切强度可以达到 3 8 m p a 。之后将粘接试样做温度循环处理，在5 0 2 5 0 下进行约4 0 0 0 到6 0 0 0 个温度循环，其温度循环过程如图1 6 ( a ) 所示，从图1 6 ( b ) 可以看到，纳米银焊 膏粘接试样的剪切强度下降了约5 0 。此外，他们的研究还指出镀银基板的剪切 强度要优于镀金基板。 第一章文献综述 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 t mf m j n s ) o 恐m 竺嚣m 黑。? 8 0 0 0 ( a ) ( b ) 图1 6 温度循环对剪切强度的影响：( a ) 温度循环曲线( b ) 焊膏剪切强度随温度循环变化 关系( 镀银基板) f 培l 一61 1 l ee a 碗to f t 锄p e r a n 鹏t ot 1 1 es h e a rs 骶n g t t l ：( a ) t e m p e m t u r ec y c l i n gc u e s ( b ) s h e 盯 s 呦g mw i t hv 甜i a t i o no ft e m p e m t i l r ec y c l i n g ( s i l v e rs l l b s 的t e ) t a ow a n 酽刊等对纳米银焊膏的烧结工艺及其可靠性进行了研究，包括升温 过程、烧结温度、升温速率、保温时间的影响。升温过程的研究显示，采用升温 保温的升温控制方式与直接升温相比较，因为有机物快速挥发产生气泡降低强 度，材料的致密度更高。烧结温度的研究说明当烧结温度大于2 8 5 时材料的剪 切强度上升缓慢，依靠提高烧结温度来增大剪切强度的意义不大。对升温速率的 研究表明，材料的剪切强度随升温速率上升逐渐上升，但上升速度逐渐变慢，且 当升温速度过快时，其剪切强度反而会下降。这是由于升温过慢时由于表面扩散 作用导致密度下降，而升温过快使有机物挥发过快导致了密度降低。对保温时间 的研究指出材料的平均剪切强度会随着保温时间的延长而上升，然而当保温时间 超过6 0 m i n 后，剪切强度的上升变缓。 k 皿q i 【l ；】 矧对纳米银焊膏粘接试样的剪切疲劳特性进行了研究，并且通过 试验研究得到了该材料的疲劳寿命曲线，并指出这种材料在随循环次数的增加 是，最大位移也增大，但增大速度逐渐减小，而且循环次数增大，应变幅值会减 小，若施加的载荷越大，应变幅值也就越大。另外，还考察了粘接面积对粘接质 量的影响，研究指出随着粘接面积的减小，粘接位置的强度显著上升。 r o n g “”】考察了低温烧结纳米银焊膏薄膜的棘轮特性，研究表明材料的棘 轮应变随着加载速率的减小而增大，随着应力幅值和平局应力的减小而减小。 另外，d u n - j iy u 2 6 对低温烧结纳米银焊膏薄膜的研究表明材料的拉伸强度随 孔隙率的减小增大，但在1 5 0 的试验又指出材料在高温状态下孑l 隙率的影响不 大，并发现在孔隙率相近、温度相同时，应变率越小，材料的抗拉强度也越小。 蜗筠约=2加5 o 一冉t：一ll_口c备_i_西cieo 性也目 妣龇棚一。= 鬻弧 且棘下必 叛蝴褂靛 誊 蛳懈槲 一 彰如既睿 嘏槛张惮一 聃 懒嘲一 醚 和 一一 桃 一 一 竣燃槲| 霎 艄 以接诙刚 副 从端黜蝴 铺 蚍 一 第一章文献综述 蠕变产生的空洞使材料发生应力集中，试样的截面积逐渐减小发生颈缩现象，真 应力上升，而且材料内部结构也会发生变化，出现了蠕变的加速阶段直至断裂。 这种在恒定工程应力下的蠕变试验可以看成一种高温的服役状态，材料在一 定的已知载荷下逐渐蠕变变形，因此需要得到材料的蠕变时间、蠕变速率、蠕变 变形量等数据，以便于对材料在高温服役下的寿命做出安全的预测。 值得注意的是以上所描述的金属蠕变行为，对于纯金属和部分固溶合金是适 用的，但是有些组织结构复杂的工程合金未必适用，其在蠕变过程中可能不出现 稳态蠕变阶段，在蠕变第一阶段后直接进入蠕变加速阶段，对于这样的情况，采 用最小蠕变速率代替稳态蠕变速率。 1 3 2 蠕变的本构关系 对于一种材料的蠕变性能，一般用稳态蠕变速率占来表示。稳态蠕变速率的 大小除了受到材料本身的特性影响以外，还和温度t 、应力盯有关。 ( 1 ) 稳态蠕变速率与温度的关系陟3 i 】 从恒定应力控制下进行的蠕变试验结果发现，在一定应力下的稳态蠕变速率 的对数l i l 占与温度的倒数l t 成线性关系，因此二者可以写成加t h e n i u s 关系式： n 占= 4e x p 卜嵩) ( 卜1 ) 、上 式中a l 是材料常数，r 是气体常数，q 。是表观蠕变激活能，t 是绝对温度。 由幂律蠕变范围内的金属获得的大量实验结果表明蠕变激活能q 。与该金属 的自扩散激活能q s d 是相等的。这一结果说明金属的幂律蠕变是受到扩散过程控 制的。 值得注意的是a g 在0 5 t m 以下的蠕变激活能q 。低于自扩散激活能q s d ，且 在许多面心立方和密排六方金属中也能观察到类似的现象3 2 】。 ( 2 ) 稳态蠕变速率与应力的关系 3 4 】 在高温下大多数材料的蠕变在应力不大的条件下表现出稳态蠕变速率的对 数1 1 1 占与应力的对数j l l 盯之间呈线性关系，可以表示成如下形式： 占= 彳2 仃“ ( 卜2 ) 若蠕变速率与应力之间存在上述关系，则称蠕变为幂律蠕变，然而当应力升 高，h s h 仃曲线的斜率将有所上升，二者的线性关系逐渐偏离，这种现象称 为幂律失效，此时可以用指数形式描述： s = 4 e 坤( 召盯) ( 卜3 ) ( 3 ) 幂律蠕变方程 第一章文献综述 将式( 卜1 ) 与( 卜2 ) 综合，可得到幂律蠕变方程，也称为d o m 能量定律。 占= 么仃p ( - 意) ( 1 4 ) 式中a 是材料特性常数，n 成为应力指数。该式中应力用弹性模量可以做归 一化处理细锄可得如下表示形式： ；= 4 ( 秒e x p ( _ 黟 ( 1 _ 5 ) m u k h e l j e e 【3 6 】等的研究认为，扩散控制的位错蠕变模型必然会存在而3 屉丁项， 他建议可以用如下表达形式代替式( 1 5 ) 三咆( 鲁e 卅黟 ( 1 6 ) 或 三钏争鲁唧( 一黟 7 ) 其中k 是波尔兹曼常数，b 是位错柏氏矢量，g 是切变模量。 目前对于不同晶体结构的金属蠕变研究表明，在一定的应力和温度范围内， 纯金属的蠕变确实是服从幂律蠕变本构方程的，且大部分金属的蠕变激活能等于 其自扩散激活能，应力指数取值在4 到7 之间。 1 3 3 单轴蠕变模型 根据图1 7 所示，蠕变曲线可以用如下的蠕变方程描述： 占。= 么盯“f ”( 1 8 ) 该式被称为b a i l e ) 州o n o n 方程，式中的。代表蠕变应变，a 是材料常数， n 是应力指数，m 是小于l 的常数。该表达式可以描述蠕变的第一阶段和第二阶 段。 将上式对时间t 求导可得到蠕变速率方程： 占c = 彳聊盯4 ，一1 ( 1 9 ) 由此可以看出随着时间的增加，蠕变速率逐渐变小，所以该方程成为时问硬 化方程，由于只对t 进行了求导，没有考虑应力的变化，这就要求该模型只能用 在一个恒定应力或者阶梯型变化应力的条件下，对于连续变化的应力无效。 若在式( 卜8 ) 中求得t ，再将t 带入式( 卜9 ) ，就可以得到应变硬化方程，这里 不再赘述。 需要说明的是，应用应变硬化方程处理蠕变试验数据与使用时间硬化方程处 理的结果并不相同，至于那种方法更符合实际情况还需要试验来验证。 工程上还有许多比较典型的单轴蠕变模型，如式( 卜1 0 ) 、( 卜1 1 ) 等所示，它 第一章文献综述 们能更好的描述蠕变行为，但是由于这些表达式结构比较复杂，现在仍然主要应 用b a i l e y _ n o r c o n 方程进行分析3 7 4 州。 s 。= 彳( 仃) l e 冲【一，( 盯) 】f + b ( 盯) l e 冲卜s ( 仃) 】f + s ，f ( 1 一l o ) 弘羔+ 嵩+ ；s r ”占。= l + l + s jf l l1 ) 。 1 + 6 1 f1 + 反f 。 1 3 4 蠕变损伤理论 1 9 5 8 年由k a c h n o v 率先提出了一个损伤变量的概念连续度。连续度 的提出是考虑材料损伤导致截面积减小，有效承载面积变小，因此连续度被表示 为损伤后有效承载面积与无损状态下的横截面积的比，如下所示： 芦 = 二-( 卜1 2 ) ， 叩= 1 表示无损，v = o 表示断裂。 由于实际有效的承载面积变小，使得实际应力增大，那么实际应力与名义应 力按照连续度的概念建立的关系式为： 孑= 二 ( 卜1 3 ) 沙 孑表示等效应力，盯表示名义应力。 r a b o t i l o v 【4 2 3 对连续度的概念进行了扩展，引入了损伤变量d 这一概念： f 一昂 d = 1 一沙= 二- 二( 1 1 4 ) f 当d = o 时，表示材料的无损状态，d = 1 表示完全丧失承载能力，也就是 断裂状态，此时等效应力也就可以表示成： 子= ( 卜1 5 ) l d ( 1 ) l 【a c h n o v 蠕变损伤理论【4 1 】【4 3 】 k a c h n o v 蠕变损伤理论首先给出了两种极端的情况，即纯延性断裂和纯脆性 断裂，纯延性断裂是指受到恒力p 拉伸的试样的横截面积f 连续减小直至断裂， 这样采用恒定温度下幂律蠕变本构方程( 式1 2 ) 和塑性变形体积不变的原理得到 了纯延性蠕变断裂寿命，如下式所示： o z2 高 q 1 6 ) ，z 一仃二 其中咖= p f o 为初始应力，f o 表示初始截面积 纯脆性断裂是指蠕变的变形量很小，主要是通过损伤的发展而引起了材料发 生蠕变断裂，在这里用到了前文提及的用来描述损伤状态的连续度这一概念。并 假定损伤演化有最大拉应力嘶决定，给出如下损伤演化方程： 第一章文献综述 掣：一b ( 盟) m ( 1 1 7 ) 一= 一，l i 一i ，j d f 由于脆性条件下的应变量很小，可以认为鲰产嘞，因此带入上式并积分，再 令掣= 0 ，则可以得到纯脆性断裂寿命的表达式： 。z2 赢 q 1 动 然而实际材料的蠕变断裂行为大多介于两者之间，蠕变过程中在横截面积减 小的同时材料内部也发生损伤使承载有效面积在减小。k a c h l l o v 假定蠕变与损伤 演化是相互独立的过程。在此假定基础上推导出了延脆性蠕变断裂寿命公式： f 矿f ，。 l 一 1 一堕粤】志) ( 1 1 9 ) 刀l r l ( 2 ) r a b o 恤o v 蠕变损伤理论 前文中已经提及，r a b o 协o v 提出了一个损伤变量d ( 一些文献中也称为损伤 因子) ，由此又进一步发展了k a c h n o v 的理论，提出了如下的蠕变损伤基本方程： ；：丝竺 ( 1 1 9 a )占= l i l y a j ( 1 一d ) 9 6 = 篙 ”1 9 b )d = 二= 二一 ( 1 1 9 b ) ( 1 一d ) 7 式中a 、b 、n 、m 、q 、r 都是材料常数。 在低应力水平时，蠕变变形对断裂的影响小，内部损伤的影响大，可以认为 材料的断裂为脆性，但应力水平不是很小时需要考虑蠕变变形引起横截面积的变 化，可以得到延脆性断裂情况下的蠕变损伤方程： ；：婴! 型 ( 1 2 0 a ) 占= = - 二_ 二一 l 一2 u a ) 刀0 l ( 1 一d ) 9 易：旦唑2 一 ( 1 2 0 b )d = = 坠= ，l( 卜2 0 b ) 1 3 5 蠕变断裂寿命的预测 ( 1 ) m o m r 血趾一g r a n t 关系【4 卅 通常在一定的温度下，高应力短时间的应力的对数与蠕变寿命的对数是线性 关系，但随着应力的降低，蠕变寿命将逐渐偏离原来的线性关系，使得实际测得 的低应力蠕变寿命低于由高应力外推得到的蠕变寿命，这是因为随着应力的降 低，损伤与断裂的机制发生变化，而且应力降低会使扩散蠕变增大，蠕变速率加 快，使得断裂寿命变小，另外，由于长时间蠕变的作用，材料的组织结构可能发 生变化，使得蠕变寿命与应力之间偏离原来的对数线性关系。 经过大量的试验研究，一些学者提出了蠕变寿命与稳态蠕变速率之间存在下 第一章文献综述 面的关系，即m o i l i 锄一g 删关系： f ，占，= c( 1 2 1 ) 根据d o m 能量律中稳态蠕变速率与温度、应力的关系可以看出，应用 m o n l 雒一g r a n t 关系的蠕变寿命的对数和应力的对数之间并不是线性关系，如 式( 卜2 2 ) 所示，这使得m o i 妇a i l g m t 关系的使用范围比较窄： 丢o c 二一九卅勺 ( 1 - 2 2 ) f ， r 2 ” 因此，后人对m o m 吼柚一g r a n t 关系不断地引用与修正，目前比较常用的形 式是： f ，s = g ( 卜2 3 ) ( 2 ) l a r s o n m i l l e r 方裂4 5 】 前文中也提及，由于表观蠕变激活能和自扩散激活能对有些材料并不相等， 且表观蠕变激活能受到应力6 的影响，因此可以将式( 卜2 2 ) 改写成： l o g ，= 等一忍 ( 卜2 4 ) 上式中，假定p l 是温度、断裂时间的综合参数，它是应力的函数p ( 0 ，所 以上式可以成为： p ( 仃) = 丁( c + l o g f ，)( 1 2 5 ) 该式被称为l a r s o n m i l l e r 参数方程。 式中，c 的取值一般情况下是1 5 2 5 。由文献指出，对于不同材料c 的取值 范围不同，对金属和合金，c 2 0 ，对碳化物c = 1 0 2 2 ，对单一碳化硅c = 3 0 4 0 ， 对s i c s i c 的复合材料c = 5 l o 。 对于l a r s o n m i l l e r 参数的整理多采用多项式拟合的方法，因此 l a r s o n m i l l e r 参数的关系不是直线，因此在利用高应力短时蠕变数据进行外推 时不能外推过长，条件相差过远的外推数据结果将高估实际的蠕变寿命，使结果 偏于危险。 ( 3 ) e 函数法 4 6 】 w i l s 和e v 姐s 提出了一种方法，该方法应用比较简单的函数描述了整个 蠕变曲线，根据高应力、短时蠕变的实验数据，外推出低应力、长时间的蠕变曲 线。 = 岛+ 岛( 1 一p 。岛) + 岛( p 即一1 )( 1 2 6 ) 式中o 是初始应变，第二项表示因为加工硬化使得材料的蠕变速率减小的 过程也就是蠕变的第一个阶段，第三项表示由于回复软化使得蠕变速率变大的过 程。硬化曲线与软化曲线相叠加，即可描述蠕变的整个过程。 第一章文献综述 值得注意的是，对于第二阶段的出现，可以认为是由于加工硬化项与回复软 化项之间的动态平衡过程，因此由0 函数法得出的最小蠕变速率，就应该对应第 二阶段蠕变的稳态蠕变速率。 利用由高应力短时蠕变曲线结果所获得的o 参数，可以进行外推。发现这四 个参数的对数都和应力成线性关系，e v a n s 等对此进行了进一步研究，发现了这 四个参数与温度和应力的关系可以表示如下。 i 0 9 9 = 口，+ 6 ，仃+ c ，r + d ，( 仃d ( 1 2 7 ) 这样，利用高应力下的蠕变试验数据线性回归可得每一个。i 对应的四个参 数，从而外推出任意温度任意应力水平下的蠕变曲线。 之后，丸山公一和及川洪等学者又对0 函数法作出了修正【4 7 4 9 1 ，将式( 1 2 6 ) 中的0 2 和。4 连个参数合并为一个参数0 【，提出下面的方程： s = s o + 4 ( 1 一e 一谢) + b ( e 4 一1 )( 1 - 2 8 ) 并通过对奥氏体不锈钢和c r m o v 钢这两种材料的蠕变试验得出，式中的初 始应变项与温度无关，而与归一化应力扼成正比。并发现a 、b 有如式( 1 2 9 ) 的关系。 彳= 无( ) ( 1 2 9 a ) 曰= 厶( 量) e x p ( _ 昙) ( 1 2 9 b ) 修正的e 函数法的数据拟合过程更加简单，但是需要指出的是修正后的e 函 数法拟合结果在蠕变的最后阶段试验结果有一定的差别。前两个蠕变阶段的拟合 很好。 ( 4 ) m a n l y a m a 外推参数5 0 一5 2 】 上文中已经指出，修正后的0 函数法在蠕变最后阶段的预测存在误差，理论 上是只要知道断裂应变f 就可以计算预测出蠕变断裂寿命，但是由于最后阶段存 在偏离，如果断裂时间越长，那预测结果与实际情况的差别也就越大。 因此丸山公一建议仍用参数外推的方法解决，外推参数形式如下： 乞= 吉h 生产 ( 1 _ 3 0 ) 丸山等用两种c r m o v 钢的蠕变试验结果建立了蠕变断裂时间与外推参数p n 间的关系，发现两者在双对数坐标下呈线性关系，可以写成： f ，= c 。彤( 1 3 1 ) 式中c 口和q 都是接近于1 的常数。该关系已经在很多材料的蠕变试验中得 到了验证。 但是该外推参数有一定的缺陷，p n 的计算要用到断裂应变f 的值，而这个 第一章文献综述 值是和应力相关的，而预测的蠕变过程r 又是未知的。对此丸山认为，由于r 存在于对数项中，其对外推参数值的影响不大，因此对外推的精度影响也不大。 1 4 现阶段研究工作及意义 1 4 1 研究工作 本文主要针对微电子封装中使用的新型热界面材料低温烧结纳米银焊膏在 之前许多学者的研究基础上，对其机械性能进行进一步研究。 主要的工作有： ( 1 ) 纳米银焊膏薄膜的制备：通过在陶瓷基板上印刷纳米银焊膏并按照一定 的低温烧结工艺制备出薄膜状的银质试样。 ( 2 ) 实验设备的改进与设计：针对薄膜材料的特点，为微型单轴拉伸疲劳试 验机m u t - 1 0 2 0 设计新型的专用夹具以及相应的保护装置；并为试验机添加设计 改造加热装置，以提供试验的高温环境。 ( 3 ) 在微型单轴拉伸疲劳试验机m u t _ 1 0 2 0 上对纳米银焊膏薄膜进行力学性 能试验，包括在不同温度下、不同应力水平下的蠕变试验。 ( 4 ) 对蠕变试验的结果进行分析，考察纳米银焊膏薄膜的蠕变规律，利用d o m 能量律等理论获得纳米银焊膏的本构关系参数，采用多种方法对该材料蠕变寿命 进行预测，分析该材料的蠕变损伤变化规律。 1 4 2 研究意义 对于微电子封装材料而言，工业上一般从集成能力、导电性能、散热性、可 靠性、生产能力和生产成本这几个方面来评价优劣与否，由以上的研究情况可以 看出，低温烧结纳米银焊膏在导电散热性能上非常好，远远优越于普通的封装焊 料；从生产能力来看，由于纳米级尺寸的银粒子不需要进行加压辅助，只在常压 下就可以进行烧结，生产能力也得到了大大的提高，且因此而导致生产成本也相 应的下降。 从可靠性角度来看，该材料目前所表现出的机械性能也达到甚至超越了大部 分微电子封装用焊料的性能，但是由于目前大功率半导体器件的迅猛发展，需要 封装材料工作的环境越来越苛刻，工作温度越来越高，常见的如锡铅焊料、导电 胶等材料的电热性能及机械性能逐渐不能跟上大功率半导体器件的发展，这就要 求封装材料能够在保证散热性的前提下，长时间的工作在高温环境中，因此，本 文主要研究低温烧结纳米银焊膏薄膜在高温下的蠕变特性，来考察其在高温环境 第一章文献综述 一一_ 中工作的适应性，以期解决高温下的微电子封装这一问题。 此外，低温烧结纳米银焊膏不含铅，无污染的特点也符合目前全球提倡环保 这一理念，因此可以说本研究工作对微电子封装技术有较大的意义。 第二章实验设备的改进和设计 第二章实验设备的改进和设计 2 1 试验应用设备简介 ( 1 ) 烧结炉炉体：箱式电阻炉，生产商：天津市通达试验电炉厂，型号： s x 2 5 - 1 2 ，额定温度：1 2 0 0 ，温控系统：l u 9 6 0 m 程序调节仪，生产商：广 东安东电子有限公司。用途：烧结纳米银焊膏。 ( 2 ) 微型单轴疲劳试验机( m i c r 0u n i a ) 【i a lf a t i g u et c s t i i l gs y s t e m ) ，型号： m u t - 1 0 2 0 ，生产商：自主研制。用途：纳米银焊膏力学性能测试。 ( 3 ) 动态力学分析仪( d m aq 8 0 0 ) ，生产商：美国t a 公司。用途：纳米银焊 膏的力学性能测试。 ( 4 ) 玻璃温度环境箱，生产商：自主研制。用途：提供温度环境。 ( 5 ) 干燥箱，生产商：天津市通达实验电炉厂，型号：d z k 型。用途：试样 干燥。 2 2 实验设备设计开发 本实验中，应用的多种试验设备由实验室自主开发设计完成，其中包括微型 单轴疲劳试验机m u t - 1 0 2 0 、玻璃温度环境箱。并设计开发了用于微型单轴疲劳 试验机的快速拆装型片状材料夹具，水冷保护连接器，微型可调夹具。 2 2 1 实验设备的模块化设计思路 2 2 1 1 模块化设计思路 机械产品是一个由若干的零部件及装置，按着一定的结构形式和组装配合的 规律组成的具有某种功能的机械系统。它具有整体性、相关性、功能性和层次性 四项基本特性。 对机械进行模块化设计正是从上述的特点出发，对机械系统以功能分解原理 为依据进行模块的划分和重组。但是由于不同类别的机械结构特点不同，所以模 块化设计对不同的机械结构的复杂程度也不尽相同，根据难易度可以将机械制品 的结构特点分为以下几种类型f 3 1 。 ( 1 ) 产品规格和变形结构系列化特性明显 第二章实验设备的改进和设计 这类机械的结构形式一般情况下变化很小，易于分解其功能和结构，且具备 明显的结构主参数分级特性，因而在划分模块和系列化机械产品时比较容易。 ( 2 ) 产品结构复杂，整体性强 这类产品尽管可以将总功能按照功能分解原理划分为一些独立子功能，但是 实现功能的结构却不能独立存在，这类机械通常由结构相对不变的定型结构与变 化较多，结构复杂的不定型结构共同组成。 ( 3 ) 产品结构无明显的系列化分级特性 这类产品的结构主参数主要由使用工况决定，产品功能和结构易于分解，但 产品规格难于进行系列化分级，功能部件的通用性不强。 从上述介绍中可以发现，对于第二类和第三类的机械系统的模块划分比较困 难，不易分解。因此在传统模块基础上提出了广义模块的概念【“】。 广义的模块化设计与传统模块化设计思路相比，主要的不同之处在于，传统 模块化设计中的模块是一个实体，这个模块可以是一个部件也可以是一些零件的 组合，但各个模块之问要有固定的连接方式。而广义模块则表示为一种参数化的 形式，它没有固定的实体，所以广义模块又划分为：柔性模块和虚拟模块。 传统模块与广义模块之间的关系可以简单的用下图所示的情况说明： 图2 1 传统模块与广义模块的关系 f 唔2 - l1 1 1 er e l a t i o 邶h i pb e 铆e 蛆t r a d i t i o n a im o d u l e s 觚dg e n e r a l 诬dm o d u l e s 2 2 1 2 实验设备的功能模块分解 ( 1 ) 快速拆装型夹具的功能模块分解 根据试验的需要，快速拆装型夹具应该具备简易的夹持锁紧功能、快速更换 拆装功能、与整机的连接功能，这些功能要组成一个整体的机械系统，而夹具设 计的需求表明各个功能结构通用性较低，各部分都比较复杂，属于第二类、第三 类的机械类型，因此采用广义的模块化划分方法，对各个功能进行分解，如下图 第二章实验设备的改进和设计 所示： 图2 - 2 快速拆装型夹具模块化分解 f i g 2 - 2 脚i dd i s 弱s e m b l y - 啪ef t u r em o d u 栅d e c o m p o s i t i o n ( 2 ) 加热箱以及水冷连接器的功能模块分解。 加热箱基于原有温度箱结构形式，通过局部放大和变形的处理得到了新的加 热温度箱，因此它属于第一类机械系统，模块划分简易，其内层为加热结构，根 据夹具尺寸进行比例放大处理，外层为保温结构，保持不变。 图2 3 加热箱的模块化分解 f i g 2 - 3h e a t i n gb o xm o d u l a rd e c o n l p o s i t i o n 水冷却连接器是一个后增设的设备，它基于夹具的连接头结构，将连接头分 体为上下两部分，中间增加冷却空腔，所以可以看成是一个从连接头结构派生出 来的柔性模块。 ( 3 ) 微型夹具的功能模块分解 微型夹具是在增加水冷装置后为解决试验机行程不足问题设计的，由于该夹 具设计于快速拆装型夹具之后，借鉴了快速拆装型的模块划分模式，由于空间限 制，将夹持系统和扣合系统合并，构成新的分体式系统，大幅减少了尺寸。并直 接继承了快速拆装型夹具的拆装锁紧系统这一模块，这样就可以直接使用快速拆 装型夹具的连接头模块( 或水冷连接器模块) 。如下图所示： 第二章实验设备