（材料加工工程专业论文）纳米银焊膏低温烧结在igbt模块制造中的应用.pdf

摘要 随着电子电力技术的不断发展，i g b t 已经成为许多设备中的核心部件，在 很多领域都有着重要的影响。现在器件都在向大功率发展，i g b t 模块也应运而 生，成为市场上占主导地位的产品。 传统的i g b t 模块是通过钎焊的方法制造，即使焊膏或预成型钎料薄膜，通 过回流焊工艺，熔化并固化成钎料合金，来连接功率模块中的芯片和基板。这种 方法制造的模块存在寿命短、散热差的缺点，并且由于钎料熔点的较低，模块中 芯片的结点温度被限制在1 5 0 。c 以下。而新出现的纳米银焊膏烧结工艺所形成的 连接有着良好性能，它通过将银颗粒的尺寸减小到纳米级，实现焊膏的低温低压 烧结。 在前人的研究之中，已经成功的将纳米银焊膏的低温烧结工艺应用在了单个 大面积芯片的连接之中。但是一个i g b t 模块中含有多个不同厚度的芯片，本文 中，研究了将纳米银焊膏的低温烧结工艺应用于i g b t 模块之中的可行性。 本文的研究工作可以分为三个部分： 首先，研究了i g b t 模块中的i g b t 模拟芯片和二极管模拟芯片的制作工艺 和方法。本文中使用厚度不同的两种单晶硅片分别模拟i g b t 和二极管，工艺顺 序是先将硅片切割成目标尺寸再使用磁控溅射进行镀膜。镀膜的顺序是先在硅片 上镀一层钛，再镀一层银。 其次，设计了模块的电路和d b c 基板的电路图形，并利用激光刻板机和蚀 刻机等设备制作了带有图形的d b c 基板。模块中的电路设计应遵循的原则是要 对称布局，这样可以使得电流在模块中均匀分布，使得模块性能得到最大的发挥。 最后，通过本人设计的烧结专用装置，实现了不同厚度芯片用纳米银焊膏低 温烧结工艺在d b c 基板上一次性加压烧结。 关焉悯：i g b t 模块纳米银焊膏磁控溅射芯片连接低温烧结 a b s t r a c t w i t ht h et r e n do fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi si n c r e a s i n g ，t h ei g b th a sb e c o m et h e c r u c i a lp a r tw i t h i nm a n yd e v i c e s ，i ta l s op r o d u c e si m p o r t a n te f f e c t so no t h e r sa r e a s a st h ed e v e l o p m e n to fh i g h - p o w e rd e v i c ei st h em a j o rd i r e c t i o n ，t h ec o r r e l a t i v eo f i g b tm o d u l e sa r et h u sb e c a m et h ed o m i n a t e dp r o d u c ti nt h ee l e c t r o n i ci n d u s t r y t h et r a d i t i o n a li g b tm o d u l ei sb a s e do ns o l d e r i n g ，i tu s e ss o l d e rp a s t eo r p e r f o r m i n gs o l d e rf i l mt oh a v et h es o l d e r r e f l o wa n dt h e nm e l t sa n dc o n s o l i d a t e si ta s s o l d e ra l l o yt oc o n n e c tt h ec h i pa n ds u b s t r a t ew i t h i nt h ep o w e rm o d u l e h o w e v e r ，t h i s a p p r o a c hi ss h o r t a g eo fw o r k i n gl i f ea n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g m o r e o v e r ，b e c a u s e t h es o l d e r sm e l t i n gp o i n ti sr a t h e rl o w ，t h ep e a ko fc h i p 。sj u n c t i o nt e m p e r a t u r ew i t h i n t h i sm o d u l ei sl i m i t e db y15 04 c t h er e c e n ta p p r o a c ho fl o wt e m p e r a t u r es i n t e r i n go f n a n o s l i v e rp a s t eh a sab e t t e rp e r f o r m a n c eo nt h ei n t e r f a c ec o n n e c t i o nc o m p a r e dt h e p r e v i o u so n e ，a si tr e d u c e st h es i z eo f s i l v e rg r a i nt on a n o m e t e rl e v e lt oa c h i e v et h e l o w t e m p e r a t u r es i n t e r i n go fn a n o - s i l v e rp a s t e f o r m e rs t u d i e so fn a n o - s i l v e rp a s t eh a v ep r o v e dt h a ti ti s a c h i e v a b l et h a t i m p l e m e n t i n gl o wt e m p e r a t u r es i n t e r i n g o fn a n o - s i l v e rp a s t et e c h n o l o g yo nt h e c o n n e c t i o nw i t h i nt h es i n g l eb i gc h i pb a s e do ne a r l i e rr e s e a r c h e s h o w e v e rt h e t h i c k n e s so fc h i p sa r ed i f f e r e n tf r o me a c ho t h e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep o s s i b i l i t yo f i m p l e m e n t i n gl o wt e m p e r a t u r es i n t e r i n go fn a n o - s i l v e rp a s t et e c h n o l o g yo ni g b t m o d u l eh a sb e e nr e s e a r c h e d t h e r ea r et h r e es e c t ，i o n sa b o u tt h i sd i s s e r t a t i o n ： f i r s t l y ，i ti n c l u d e st h em e t h o da n dt e c h n o l o g yo fm a k i n gi g b tp s e u d o - c h i pa n d p s e u d o d i o d ec h i p t h i sr e s e a r c hh a sa d o p t e dt w ow a f e r so nd i f f e r e n tt h i c kl e v e l st o s i m u l a t ei g b ta n dd i o d e t h ei n d u s t r yp r o c e s si st oi n c i s es i l i c o nc h i pa st h et a r g e t e d s i z ea n dt od e p o s i t i o nb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h ep r o c e s so fd e p o s i t i o ni st od e p o s i t a l a y e ro f t i t a n i u ma n dal a y e ro fs i l v e ro n i t s e c o n d l y ，t h er e s e a r c hd e s i g n a t e st h ee l e c t r i cc i r c u i to fm o d u l ea n dd b c s u b s t r a t e t h ed b cs u b s t r a t ew i t hf i g u r e si sm a d eo fb a s e do nl p k fp r o t o l a s e ra n d e t c h i n gm a c h i n e t h ep r i n c i p l eo fe l e c t r i cc i r c u i td e s i g nw i t h i nt h em o d u l eh a v et o s y m m e t r i c a ll a y o u t ，s ot h a tt h ec u r r e n tc a l lb ee v e nd i s t r i b u t e di nt h i sm o d u l e i no r d e r t od e s i g na c h i e v e sm a x i m u r r lp e r f o r m a n c e l a s tb u tn o tt h el e a s t ，w i t ht h eh e l po ft h es i n t e r i n gd e v i c ed e s i g n e db yt h e r e s e a r c h e r 。t h i sr c s e a r c hh a sa c h i e v e dt h es i n t e r i n go fc h i p sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s o n d b cs u b s t r a t ew i t h i no n es t e p k e yw o r d s ：i g b tm o d u l e ，h a l l o s i l v e rp a s t e ，m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，c h i p a t t a c h m e n t ，l o w - t e m p e r a t u r es i n t e r i n g 第一章绪论 第一章绪论 现今人类社会的发展达到了前所未有的速度，对能源的消耗也是越来越高， 节能己经成为了世界各国一项重要主题。尤其在我国，供应和需求之间有着严重 的矛盾，单位产量的能源消耗是发达国家的好几倍。而为了实现节能这一目标， 人们也在很多方面通过很多方式做出了努力，其中电力电子技术是实现节能的关 键技术。而i g b t ( 绝缘栅双极型晶体管) 在现代电力电子技术中有着广泛的应 用，可以说是一种代表性的半导体器件。现在i g b t 的应用范围很广，包括有电 机传动控制，u p s 和开关电源，军事和空间技术以及环保工业技术。因此加快 i g b t 等电力电子新产品的开发和应用，对解决我国长期高能耗的状况有着重大 的意义。 1 1i g b t 概述 1 1 1 电力电子器件的发展 1 9 4 7 年，三位来自美国贝尔实验的科学家b a r d e n ，b r a t t a i n ，s h o c k l e y 进行 了点接触晶体管演示实验取得重大突破并紧接着向世人公布了其具有划时代历 史意义的重要发明，即双极结型晶体管( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ，b j t ) ，简 称双极晶体管或晶体管的发明【1 2 】，这标志着人类在半导体领域的工作有了突破 性的进展。 现在距离晶体管的发明已经过去了六十多年，但是晶体管的发明仍旧发挥它 的影响，它为现在其他类型的半导体器件奠定了物理学和制造工艺学方面的良好 基础，如今，所有类型的半导体器件都使用的是晶体管的制造工艺，并且形成了 两个分支：一个是向微型化方向发展的微电子学，另一个则是向大功率方向发展 的电力电子【3 1 。1 9 5 2 年，h a l l 研制出了第一个功率半导体整流器 4 1 ，这标志着世 界上用于大功率控制的功率半导体器件的诞生。1 9 5 6 年，m o l l 发明了第一只可 控硅整流器( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ，s c r ) ，也称为晶闸管【5 】，晶闸管的出 现标志着现代电力电子技术的开端，并且是分立器件时期的代表。在此后又经历 了以m o s f e t 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 为代表的功率集成器件和以智能 化功率集成电路( s s p i c ) 为代表的功率集成电路两个发展时期。 第一章绪论 1 1 2i g b t 发展历程 i g b t 是绝缘栅双极型晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 的缩写，它 的出现是为了解决提高电压与降低导通电阻和损耗的矛盾。r c a 公司、g e 公司 和摩托罗拉公司几乎在同时研制出了i g b t 。 i g b t 简单的来说是将g t r 和功率m o s f e t 结合起来而形成的器件。g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r 巨型晶体管) 的优点在于其载流量巨大，阻断电压高，但其不 足之处在于控制电路比较复杂，驱动电流较大，而且工作速度较慢；功率场效应 管m o s f e t 是单极型电压驱动器件，它的优点是高频的开关特性，高的输入阻 抗，良好的热稳定性以及驱动电路简单，但其存在工作电阻高，电流容量低的缺 点。而i g b t 则结合了两者的优点：它开关频率高，高的输入阻抗，良好的热稳 定性和简单的驱动电路，而用又有大的载流量和高的阻断电压，此外i g b t 还有 可靠性高，不用缓冲电路，饱和压降低的优点。目前i g b t 的发展经历了五个阶 段： 第一代的i g b t 产品如具有穿通型的结构。是在功率m o s f e t 中加入p n 结， 这样使得i g b t 中就相当于存在一个m o s f e t 管和一个p n p n 型的晶闸管。在 这个阶段，调整m o s f e t 管和p n p n 型晶闸管在i g b t 中的作用比例是主要的 改进方式。 第二代的i g b t 的饱和电压、下降时间比第一代的i g b t 降低了3 0 以上。 第二代的i g b t 可以减小基区的厚度，从而降低压降，并且能减小注入系数，以 防止晶闸管的闩锁效应。器件的图形更为精细，这有利于提高开关的频率。 第三代的i g b t 采用的是沟槽栅( t r e n c hg a t e ) 的结构，采用沟槽栅结构能 去除平面栅结构中所形成的结型场效应管( j i f e t ) ，结型场效应管( j f e t ) 会 形成一个串联电阻，因此可以降低通态的电压降到1 4 2 0 v 。 第四代的i g b t 不断向高压化发展，电压突破了2 0 0 0 v 的需求，采用了非穿 通型( n p t ) 的i g b t 结构，其外延层相对较厚，承受电压的基区宽度超过 1 5 0 i t m i 引。采用n p t 的结构，可以使i g b t 在几乎全电流范围的工作区内都呈现 正电阻温度系数的特点，这为实现多个i g b t “直接并联”提供了技术上的可能， 这也为i g b t 向大功率发展的必经之路。 第五代i g b t 是电场截止型的i g b t ，它结合了穿通型和非穿通型两种i g b t 的优点，其厚度比非穿通型的i g b t 薄3 0 ，并且又有电阻温度系数单极特征的 各项优点。但是这种型的i g b t 的通态压降低到1 3 1 5 v 的水平，它的的生产难 度增加了。 2 第一章绪论 1 1 3i g b t 的结构 从结构上来说，i g b t 本质是一个在漏极与漏区之间加入了一个p 型层的场 效应晶体管。因此它的结构也是类似于m o s f e t ，只不过它的漏极是从新形成的 p n 结中引出的，栅极与源极则与m o s f e t 相同。如图卜1 所示： ，幽 蚓l 越潍 _ l 鬻一 警铲_ 。- 一 图卜li g b t 的结构图 图中的n + 区叫做源区，连接在它之上的电极即为源极。器件的控制区叫为 栅区，连接在它之上的电极即为栅极。附于漏注入区上的电极称为漏极。而考虑 到长久以来人们的习惯叫法，i e c 规定：源极引出电极端子( 含电极端) 称为发 射极端( 子) ，漏极引出电极端子( 含电极端) 称为集电极端( 子) ，栅极引出 电极端子( 含电极端) 称为栅极端( 子) 。 如果在i g b t 的栅极施加正向的电压，就会在m o s f e t 中产生沟道，从而为 p n p 型的晶体管提供基极电流，这样i g b t 就处于导通的状态；而如果在i g b t 的 栅极施加一反向的电压，就会使得m o s f e t 中的导电沟道消失，这样i g b t 就处于 关断的状态。i g b t 的驱动方式与m o s f e t 基本相同，只需控制输入极沟道，因此 具有高的输入阻抗特性。需要指出的是，即使在栅极施加了正向电压使得沟道形 成后，如果发射极与集电极之间的电压降小于0 7 v ，也不会有集电极电流i 。 1 1 4i g b t 的基本特性 i g b t 的基本特性可以分为静态特性和动态特性。其中静态特性又可以分为 转移特性，伏安特性和开关特性。 ( 1 ) i g b t 的转移特性 i g b t 的转移特性描述的是输出集电极电流七和栅极一发射极问电压u a e 之 间的关系。它们之间的关系曲线如图1 - 2 ( a ) 所示。从图中我们可以看出，当u a e 第一章绪论 小于开启电压时，是没有集电极电流昆的，只有在大于开启电压u g e ( t h ) 时，才会有七，并且随着的增大，尼也随之增大。u 6 e 有一个最佳值，一般 为1 5 v ，而魄俐的值一般在2 6 v 之间。 冬 o ( a ) ( b ) 图1 - 2 ( a ) i g b t 的转移特性曲线( b ) i g b t 的伏安特性曲线 ( 2 ) i g b t 的伏安特性( 输出特性) i g b t 的伏安特性是指以栅一发射极间电压为参变量时，集电极电流与 栅极电压之间的关系曲线，如图1 - 2 ( b ) 所示，大致可以分为3 个区域，即正向阻 断区、放大区和导通区。从图中可以看出，集电极电流尼与栅源电压u c e 的关 系是，随着u g e 的增大，七也增大。 在实际的i g b t 中，即使是在截止的状态下，仍存在一个残余漏电流，这将 会引起晶体管的截止损耗。而即使在导通的情况下，也会存在一个残余的电压降， 称为通态压降，这会引起通态的损耗。如果对i g b t 施加一反向电压所体现的特 性，则由晶体管的性能和二极管特性决定。 ( 3 ) i g b t 的开关特性 i g b t 的开关特性描述的是集电极电流与发射极电压之间的关系。当i g b t 处于导通状态下时，其电流的主要组成部分来自于功率m o s f e t 中，而其导通 电压u c t r o n ) 的表达式( 1 - 1 ) 为： u c e ( o ) = u j i + ( 名r + 配r 拍 ( 1 - 1 ) 其中：u 儿是j l 结的正向电压，约为o 7 l v ；为扩展电阻如上的压降； r 。 为沟道电阻。 在i g b t 在导通状态下电流的表达式( 1 2 ) 为： 七d 1 + b p n p 涵螂( 1 - 2 ) 第一章绪论 其中：i m o s 为m o s f e t 中流过的电流。 i g b t 的动特性指的是i g b t 在由关断到开通的过程中，或是从开通到关断 过程中所表现出的特性。下面从i g b t 的开通过程、关断过程、导通特性等几个 方面来说明i g b t 的动态特性。 ( 1 ) i g b t 的开通过程：i g b t 在开通的过程中，几乎与功率m o s f e t 的作用 相同。在i g b t 的开通过程中所涉及的主要参数有： i 开通延迟时间t d ( o n ) ：从e 达到其最大值的1 0 时开始计时，到坛 达到其最大值的1 0 结束，这段时间称为开通延迟时间。 i i 电流上升时间矗：尼从其最大值的1 0 上升到其最大值的9 0 所经 历的时间。 i i i 开通时间：上述两者之和，即开通时间岛萨开通延迟时间幻例+ 电 流上升时间厶。 ( 2 ) i g b t 的关断过程 i g b t 关断过程的主要参数有： i 关断延迟时间t d ( o 劝：从u c e 最大值的9 0 下降到其最大值的1 0 所 经历的时间。 i i 电流下降时间t r 豇从其最大值的9 0 下降到其最大值的1 0 所经历 的时间。电流下降时间一般可以分为两部分，其中t p 反映的是i g b t 中功率m o s f e t 电流的下降，因此下降得较快，而场反映的是i g b t 中晶体管电流的下降，下降速度较慢。 i i i 关断时间锄上述两者之和，即关断时间铲关断延迟时间哳劬+ 电 流下降时间厶。 ( 3 ) i g b t 的导通特性 i g b t 可以看作是一个功率m o s f e t 和一个p n 结的复合器件，在i g b t 导 通之后，其导通压降是两者之和。为了减小i g b t 的导通压降，通常有两种途径。 一是可以增加芯片面积和组装密度，二是增加p n p 管的增益。 ( 4 ) i g b t 的栅极特性 i g b t 芯片失效的常见原因之一是i g b t 的栅极被击穿。这是因为i g b t 的 栅极与发射极之间只有一层很薄的氧化层，其耐压值只有2 0 3 0 v 。这在i g b t 的应用中应引起注意减小寄生电感。此外，在栅极与发射极之间以及栅极和集电 极之间都存在着电容，而且发射极驱动电路中存在着电感，这使得i g b t 的实际 波型与理论波型不尽相同。 第一章绪论 1 1 5i g b t 功率模块 i g b t 己经大量应用于各种电力电子设备中，它和m o s 控制晶闸管、静电 感应晶体管、静电感应晶闸管共同推进了现代电力电子技术的深刻变革，即人们 所谓的第二代电子工业革命 7 1 。 随着半导体分产器件的进一步发展，功率半导体模块随之出现，它是将多只 半导体芯片按一定的电路结构封装在一起。半导体模块体积小、安装方便、可靠 性高，得到了广泛的应用。图1 3 是一个简化了的i g b t 模块的结构示意图。从 图中可以看出，一个i g b t 的模块主要的组成部分包括有：用于将模块与驱动电 路实现电连接的导电端子( e l e c t r i c a lt e r m i a n l ) 、硅芯片( s ic h i p ) 、将芯片 连接在基板上的钎料接头( s o l d e rj o i n t ) 、将铜基座固定在散热器上用的螺栓 ( b o l t s ) 、将栅极引出的栅极端子( g a t et e r m i n a l ) 、铝连接线( a iw i r eb o n d ) 、 导热胶( t h e r m a lg r e a s e ) 、塑料外壳( p l a s t i ch o u s i n g ) 、铝散热器( a ih e a ts i n k ) 、 密封材料( e n c a p s u l a t i o n ) 。 一 一一黼 回塾 3 纛。甾盆i 埘， d b c a m bs t j b s t r a t el 蕊 i ；耋茹蕊噩磊嚣嚣荔蕊露蕊鬣荔；滋；滋虢繇貉l 豁貉雒黼&蜥自蕊蝴 8 8 氍曩鍪薹鬻鬃蘩蘩篓黪缪鬻蘩黧缀蘩鬻蘩鬻罄霉翳罄漤鍪l l 鬻黼鬻囊渊l 蘩黪霪 e l e c t r i c a lt e r m i n a lm s ic h i p 姥麓糍燃s o l d e rj o i n tb o l t s 缴糍黝g a t et e r m i n a l 嘲嘲黼a iw i r eb o n d t h e r m a lg r e a s e “p l a s t i ch o u s i n g “c u “a ih e a ts i n k 匕je n c a p s u l a t i o n 1 2 电子封装概述 s i m 酹孽咚喈闲心删嘲眄潞褙易 留留1 e 在上节的介绍中，要形成有功能的i g b t 模块，需要将芯片按照一定结构封 装起来，这样才是用户所需要的产品。电子封装技术的发展对功率电子模块有着 重要意义，尤其是现在电力电子产品的服役温度和环境越来越苛刻，这对封装技 第一章绪论 术提出了更高的要求。另一方面，全世界都更加的重视环境问题，传统的封装材 料中含有对环境有害的重金属【8 】，又对封装材料提出了新的要求。 所谓电子封装，从狭义上说就是采用膜及微细连接技术，将半导体器件以及 其余组件固定和布置在基板上并引出接线端子，再用绝缘材料灌封固定形成可使 用的产品。而从广义上来说，电子封装包括了狭义的封装与实装工程、基板技术 f 9 】， o 自上世纪7 0 年代至今天，电子封装的发展大致可以分为四个阶段，经历了 以插装型为主的i c 时代、s m t 时代、l s i ，v l s i ，u l s i 时代和以b a g 技术为 主流的时代。 1 2 1 电子封装的等级结构 一个典型的电子系统不单单是由一种封装构成，它往往包括几层或几个等级 的封装，封装等级有多种划分方法，其中的一种可以按照如下层次进行划分： 0 级：在一个半导体芯片上电级之间的互连； 1 级：将半导体封闭到双列直插封闭( d u a li n l i n ep a c k a g e ，d i p ) 、小型外连 集成电路( s m a l lo u t l i n ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，s o i c ) 、芯片载体、多芯片封装等， 并且把芯片连接到引脚架的芯片级互连。有时如果采用带式自动连接( t a p a u t o m a t i cb o n d i n g ，t a b ) 则不考虑此一级的封装； 2 级：印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ，p c b ) 或印制电路板( p r i n t e dw i r i n g b o a r d ，p w b ) ，属于互连的等级层； 3 级：印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ，p c b ) 或印制电路板( p r i n t e dw i r i n g b o a r d 。p w b ) 之间的连接； 4 级：子组装板间的连接。例如几层子组装板连接起来组成一个完整的系统： 5 级：物理独立系统之间的连接； 1 2 2 电子封装中的常用材料 电子封装中所使用材料所起到的作用是显而易见的，例如我们使用金属导体 来实现电荷的传导，使用绝缘材料来防止器件的短路并支撑和保护整个系统。在 常见的封装材料中，大概可将它们分为三大类，即金属、聚合物和陶瓷。在封装 中所用材料的性质对封装的质量和发展有着至关重要的作用【lo ，1 1 】。这些性质包括 有力学性质、湿气渗透、界面的粘滞性、电气性能、热性能、化学性质和系统的 可靠性。 ( 1 ) 封装中的陶瓷材料：在电子封装中常见的陶瓷包括有：氮化硅、氧化铝、 二氧化硅、氮化铝、碳化硅、氧化镁、碳化钨、氮化硼和氧化铍等。它们均是由 第一章绪论 金属和非金属元素化合而成，原子之间的键以离子键和共价键为主。陶瓷的通性 是硬而脆，韧性和延展性差，但具有高的熔点和化学稳定性，并且都是绝缘的。 ( 2 ) 封装中的聚合物材料：聚合物材料包含着许多的化学键合单元开成一种 链式的结构【1 2 1 。聚合物虽然不具备陶瓷的密封性，也不如金属强度高，但由于其 易处理、可塑性高、具有绝缘性质以及成本较低，在电子封装中发挥着重要的作 用。 ( 3 ) 封装中的金属材料：金属在电子封装的重要作用不言而喻，用量也是非 常之大。例如要将半导体器件的电极通过金属连接来现实将芯片与外部的电气连 通。封装中金属除了提供信号通道外，在某些情况下还承担着散热的作用。 1 2 3 电子封装中的连接材料和方法 在电子封装中所用的到的焊接材料包括有软钎焊材料和焊膏，可分为含铅和 无铅两类焊料。它们在封装中为两个金属表面间提供电、热和机械连接的重要功 能。 软钎焊通常被定义为液相线低于4 0 0 c 的可熔合金，软钎焊中常用的金属元 素有锡( s n ) 、铅( p b ) 、银( a g ) 、铋( b i ) 、铟( i n ) 、锑( s b ) 和镉( c d ) 。 而这些金属之间所形成的二元或三元合金也应用于电子封装中，例如铅锡合金、 锡银合金、锡锑合金、锡铟合金、锡铋合金、锡铅银合金、锡铅铋合金、锡银铜 合金等。 在这些钎料中，有的是对环境有害的重金属元素，这已经引起了世界各国的 重视。美国、日本、欧洲等地已经相继出台了相关的法律和政策限制含铅焊料的 使用。为了实现钎料的去铅化，人们设计了一些合金来代替传统的含铅焊料。在 设计合金中所需要达到的要求包括有： ( 1 ) 与传统的含铅焊料相近的熔点； ( 2 ) 有着适用于钎焊的电导率、热导率和热膨胀系数； ( 3 ) 有较好润湿性； ( 4 ) 有良好的机械性能，包括剪切强度、抗蠕变性能、疲劳性能等； f 5 ) 对人体和环境无害。 考虑到上述几点，实际应用的钎料合金的基体一般为锡，而与它组成合金的 元素包括a g 、b i 、c u 和h 。经过人们长期的研究发现，所高等的多元素合金成 分的实测结果与候选元素和锡基钎料之间的属性和性能的预期特性非常接近 1 l 1 4 。现在对无铅焊料的研究已经非常深入，可以预见在今后无铅焊料将成为主 流。 第一章绪论 这些金属钎料或是合金钎料可以做成许多种不同的形式，例如有钎料棒、钎 料锭、钎料粉、钎料丝、预成形成等。在对钎料进行选择的进修，要考虑其物理 性能、冶金性能和机械性能，并且应当遵循以下几条： ( 1 ) 为了适应服役温度，应选择具有合适熔点的钎料； ( 2 ) 考虑服役时接头的受力，应选择具有合适机械性能的钎料； ( 3 ) 在许多情况下，钎料与母材之间会形成金属间化合物，这也是应考虑的 问题； ( 4 ) 在电热场的共同作用下，可能有银迁移现象的出现： ( 5 ) 钎料与母材之间的润湿性； ( 6 ) 成分是共晶组织还是非共晶组织； 钎料的机械性能包括应力一应变、抗蠕变性能和疲劳性能。在大部分情下， 接头所受的力都是剪切力，而且一般剪切强度都低于抗拉强度，因此，应重视剪 切强度对钎焊接头的影响；蠕变指的是在一定的温度和应力下，接头发生了整体 的变形。虽然从理论上来说蠕变可以在任何温度下发生，但实际上蠕变现象只有 在一定温度范围内才能变得明显。现在功率电子产品往往工作在温度较高的条件 下，因此对钎料的抗蠕变性能提出了更高的要求；而疲劳性能是指接头在交变载 荷的作用下抵抗失效的性能。材料在承受交变载荷的能力大大低于其承受静载荷 的能力。在交变载荷的作用下，接头中可能出现裂纹，最终导致产品的失效。而 现在新出现的纳米银焊膏的低温烧结工艺所形成的接头有着十分优良的性能，不 仅有着高的导电和导热能力，也有着很高的可靠性。 1 3 粉末颗粒烧结和纳米银焊膏概述 所谓烧结，就是在低于主要组分熔点的温度下加热，使颗粒问产生连接以致 密化的方法。烧结方法有着长达千年的历史，在很早的时候，人类就学会了用烧 结的方法来生产陶瓷等。烧结工艺发展到今天，已经应用于生活生产中的各个领 域，包括军事领域、电子领域、汽车领域和医学领域等。长期以来，许多学者研 究了压力，温度，烧结气氛以及颗粒大小与烧结物理机制之间影响关系 1 5 , 1 6 。 1 3 1 烧结过程的机制 烧结通常可以分为4 种类型，其划分的理论依据是按照烧结过程中收缩和致 密化的不同原理【1 5 】： ( 1 ) 大多数的多晶材料的烧结过程是由固相扩散引发的致密化； ( 2 ) 无定形材料的烧结过程是由粘性流动来完成的，属于粘性烧结； 9 第一章绪论 ( 3 ) 利用在烧结温度下以液相状态存在的瞬态第二相来完成烧结致密化的 过程则称为液相烧结； ( 4 ) 如果在烧结过程中需要借助外部施加的压力，则属于压力辅助烧结。 一般而言，一个完整的烧结过程可以分为初始、中间和最终三个阶段，但这 个三个阶段之间的界线并不十分明确，因为它有彼此联系，互有重合。三个阶段 的特点如下【1 7 1 ： 在初始阶段中，粒子会在烧结驱动力的作用下旋转、滑移到比原来更稳定的 位置，在此阶段中粒子之间更容易相互接触，引起收缩并使得密度变大，形成烧 结颈并且不断长大，当烧结颈的尺寸长大到粒子尺寸的4 0 0 o - 5 0 时，可当作初 始阶段完成的标志；在烧结过程的中间阶段中，结构中原本稳定存在的孔洞会逐 渐减小变得不稳定，并且原来连续的孔洞结构也也逐渐变成彼此孤立的小孔；烧 结过程的最终阶段所发生的变化是在上一阶段中所形成的孤立小孔消失，这种变 化类似于晶粒的长大过程，直到达到一个最终的致密度。影响整个烧结过程的因 素包括有材料本身的属性和烧结工艺的各个参数。 1 3 2 烧结过程的驱动力 从热力学的观点看，烧结过程就是系统的自由能减小的过程，即系统相对于 烧结前处于一个能量较低的状态。这是因为在烧结的过程中，体系中的某些界面 会消失，或是某些界面的曲率会减小，从而使得系统的总的能量减小，这就从理 论上说明了烧结是可以实现的。 烧结过程的驱动力主要来自体系的表面能和体系的缺陷能。因此，系统中的 粒子尺寸越小，其比表面积就越大，表面能就越大，活性也越高( 表面原子比内 部原子活性大) ，这就意味着有着更大的烧结驱动力。在烧结时，为了使表面能 量降低( 表面原子能量大于内部原子) ，会有能量的释放，引起粒子迁移而使粒 子接触面积增加，产生烧结收缩作用，这就是不用外力而通过烧结产生密度与强 度增加的原因；此外，系统中所存在的缺陷能也是烧结驱动力之一，缺陷浓度越 高，烧结驱动也越大。 除了外界对系统所施加的力外，系统内的化学势差以及两接触粒子间的应力 也是系统中粒子转移的驱动力。在一个系统中，不同的表面曲率有着不同的化学 势，对于两个表面曲率为，1 和r 2 的粒子，它们之间的化学势差别可以用下式1 - 3 来表示： ( 1 3 ) 一眨 + 一_厂j飞 y m = 鳓 一 j i 舡 第一章绪论 _ 一 式中：q 代表粒子体积，y 代表粉末粒子表面能。如果半径为正值，表示表 面凸起则，反之表示表面凹陷。化学势的差会在这两个粒子上导致一个蒸汽压的 差，如式1 - 4 ： 卸坩h ( 1 4 ) 式中：r 代表具有曲率的表面的蒸汽压，p o 代表平表面部分的蒸汽压。在 一个系统中，如果粒子从凸起部分运动到凹陷部分会使得系统的化学势趋向于一 个更平均的水平。系统中物质从凸起区域移到凹陷区域可以减小系统化学势梯 度。 图卜4 烧结初始阶段两粒子的几何模型 如图1 - 4 ，接触部分外边缘所承受的应力盯可以用下式1 - 5 表示1 8 1 ： 仃= 伊j 1 ) ( 1 5 ) 式中：) ，代表表面张力，它在凹陷处为拉力，反之为压力。这样，在粒子内 部与烧结颈之间也会产生一个应力差，这会导致烧结过程中物质的运动和转移。 影响此应力的因素包括有扩散控制机制的致密化速率和外界对系统施加的压力 匕，可以用式1 - 6 来表示： b _ 一3 d l ：3 ( 只+ 盯) 一一= 一i r 母十d - p ld t r p i ( 1 - 6 ) 式中：( 1 l ) d l d t 表示的是烧结过程中的线性应变速率，矽代表应力集中系 数，怕代表的是具有粘性的单位，可将其视为表征致密粘性的参数。仃的数值与 第一章绪论 驱动力相等，单位则与应力或压力相同，可以将其视为烧结压力或烧结势。陶瓷 材料在晶界连接处存在有气孔，其仃的表达式如1 7 【1 9 】： 万：丝+ 盈 g ， ( 1 7 ) 式中：协为代表晶界能量，代表表面能，g 代表晶粒尺寸，代表孔洞半 径。因而式1 - 6 可以转化为下式1 8 ： 鱼：3 # ( p o + ) p r l p ( 1 8 ) 式中：= 仃，其单位与应力单位相同，我们可以把它看作烧结应力。 而我们可以把与匕的线性组合视为与外加载荷等效的应力，它们的作用范围 主要是曲面和晶界。这样为分析有外界压力的烧结体系提供了理论基础。 l u 等人的研究表明，如果烧结的过程中，外界对烧结体系施加了应力，此 时烧结驱动力源自于曲面过剩表面能和其它一些使得界面能减小的量，这就说明 了它直接受到粒子尺寸的影响，而在这种情况下，烧结驱动力可以用下式1 - 9 描 述： d f 2 _ z + 盯 ， ( 1 9 ) 要提高烧结驱动力，从上式中可以看出，要么我们可以增加烧结过程中的压 力，要么则是想办法减小粒子的直径。 1 3 3 纳米银焊膏简介 2 0 世纪8 0 年代末，s c h e u e r m a r m l 2 0 1 和s c h w a r z b a u e r 2 1 】提出了一种以银为主 要连接材料的新的封装技术。银是一种具有非常优越的导电和导热性能的金属材 料，也正是因为它有着这样的优点，近年来已经被广泛地应用在电子封装领域中 2 2 - 2 4 。s c h e u e r m a n n 和s c h w a r z b a u e r 所提出的新的连接技术的理论基础正是基于 烧结原理，主要是通过对微米级的银颗粒或是片状银进行烧结，最终现实连接。 为了防止在微米级的银颗粒和片状银在未烧结时就发生团聚现象，需要在其中添 加有机成分。这些有机成分在烧结过程中，一部分挥发掉，一部分在较高的温度 下( 2 1 0 。c ) 与氧气反应掉，最终只剩下纯银。因此不同于传统的封装连接技术， 第一章绪论 低温烧结技术是一种基于在3 0 0 。c 以下实现对微米尺度下的银粉颗粒进行烧结的 技术【2 0 丑, 2 6 , 2 7 1 。但这种烧结连接技术是通过原子的银原子的扩散从而达到连接的 目的1 2 8 , 2 9 ，因此在所连接的物质表面常常需要镀上金或银。在对此体系进行烧结 时，为了降低烧结温度，通常都会外加静压力，例如在2 3 0 。c 下对体系施加4 0 m p a 的静压力。试验证明，在此条件下可以所形成的接头具有良好的热、电和机械性 能【3 0 1 ，其连接强度可达3 0 m p a 以上。但是，微米级的银颗粒和片状银的烧结所 需要的静压力较大，这样就对设备、芯片和基板都有着很严格的要求，否则极易 造成器件的失效。尤其现在半导体芯片越来越薄，有的芯片的厚度甚至小于 1 0 0 p m ，因此如果能设法减小烧结过程中所需的压力。 有研究表明 3 1 - 3 5 】，通过将银颗粒的直径减小到纳米级( 1 1 0 0 n m ) 1 3 6 】，然后 在其中添加有机成分来防止颗粒的团聚并调节其粘性从而将其制成焊膏，可以在 烧结过程中不d n j i - 界压力或者是加较小的压力来实现芯片和基板的连接。本实验 中所使用的纳米银焊膏中的银颗粒的直径为3 0 5 0 n m ，并具有合适的流动性和粘 性，适用于模板印刷技术( s t e n c i l - p r i n t i n gt e c h n o l o g y ) 。所用的纳米银焊膏中 除了纳米银颗粒外，还含有包括分散剂( d i s p e r s a n t ) ，粘结剂( b i n d e r ) 和稀释 剂( t h i n n e r ) ，它们在焊膏中的作用如图1 5 ： 图卜5 纳米银焊膏中分散剂、粘结剂、稀释剂的作用原理b 7 但是，纳米银焊膏的烧结过程中也存在着许多的困难。在将粒子的直径减小 到纳米级别后，虽然为烧结过程提供了更大的驱动力，但是由于粒子直径减小造 成表面能大大增高，这会造成由于范德华力或者静电力等弱作用力所引起团聚以 及颗粒之间受到如金属键等强作用力所引起的聚合现象【3 引，如图i - 6 所示。 团聚和聚合现象会使得系统中实际参与烧结的颗粒变大，并导致颗粒分散的 不均匀性增加，这会使得其烧结驱动力大大降低【39 1 。这就是为什么需要在纳米银 焊膏中增加防止团聚的有机成分的原因。 第一章绪论 鬓漆接 魑 ( a ) ( b ) 图1 - 6 团聚和聚合现象及其导致的粒径增加：( a ) 团聚；( b ) 聚合 此外，纳米级的粒子在低温烧结过程的会发生非致密性扩散，这会使得系统 中颗粒烧结颈粗化，进而表现为颗粒的非致密化行为，这是对烧结不利的；相反， 所想要得到的是致密化扩散，即晶界或者烧结颈区域的位错产生的体积扩散。两 种扩散方式如图1 7 所示： 费嚣张矗培 一磐 图1