一种纳米AgCu互连的SiC功率模块制造工艺和性能研究

摘要

随着电力电子技术的不断发展，以SiC为代表的第三代宽禁带半导体相比传统的Si基半导体具备更高的禁带宽度、击穿电压与功率密度，因此必将成为电力电子器件技术发展的主流。然而在互连材料方面，现有的封装材料体系已经不能满足第三代半导体功率器件在高温工作环境下的要求。针对SiC芯片对粘接材料“低温互连，高温服役”的要求，科学界在纳米 Ag材料上进行了大量的研究，发现其具备良好的导热导电性能的同时也具有孔隙率高以及易电迁移等缺点。因此本文针对纳米Ag的这些缺点，引入了Cu进行互补，研究纳米AgCu材料的烧结性能以及其在SiC器件中的实际应用性能。
　　本文采用水溶液化学还原法制备纳米AgCu二元合金颗粒，并通过添加有机溶剂混合制成纳米焊膏，重点围绕纳米AgCu焊膏的烧结工艺，性能以及在器件中的应用展开研究。首先在不同工艺条件下用纳米AgCu焊膏烧结连接Cu-Cu接头，探索烧结温度，烧结时间，烧结压力三个因素对烧结组织的影响规律，并找到最佳工艺参数。为了探索纳米AgCu焊膏在实际应用中的表现，设计并制造了使用该焊膏互连的SiC全桥功率驱动模块，对模块的高温工作性能进行测试判断其高温服役稳定性。此外，加入两种对比连接材料对SiC功率芯片互连，通过比较判断在实际的器件应用中纳米AgCu的表现。最后，对纳米AgCu连接的芯片试验和 Cu接头进行了高低温冲击循环和高温老化试验以研究纳米 AgCu的可靠性。
　　研究发现时间和温度是影响烧结组织性能的最重要的因素，当制备焊膏的纳米AgCu颗粒平均粒径为10nm时，烧结温度必须大于250℃纳米颗粒才能有效烧结融合，而保温时间越长则纳米AgCu烧结接头的组织越致密。相比之下，压力的影响要小一些，当压力大于5MPa后，再施加更大的压力，接头的力学性能的增强有限。对烧结后的纳米AgCu样品进行导电导热性能测试，测得电阻率最低可达到6.1μΩ·cm，导热系数最高可达到94.9 W/mK，能够满足大功率SiC工作的需求。最后在可靠性试验中发现该种焊膏烧结后残留的有机物对可靠性影响较大，所以其制备和烧结工艺还需要进一步研究改善。

目录

第1章 绪论

1.1 课题的来源

1.2 课题研究的背景和意义

1.3 国内外在该方向的研究现状及分析

1.4 国内外研究现状简析

1.5 本课题主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料与制备方法

2.2 测试方法

第3章 纳米AgCu颗粒的表征和烧结工艺

3.1 纳米Ag-Cu颗粒的表征

3.2 焊膏烧结工艺探索

3.3 纳米AgCu焊膏烧结组织电热性能测试

3.4 本章小结

第4章 纳米AgCu烧结Cu-Cu接头高温老化试验

4.1 高温老化接头剪切强度测试分析

4.2 高温老化接头连接界面分析

4.3本章小结

第5章 SiC功率模块的制作及性能评价

5.1 SiC全桥功率模块设计制作与性能测试

5.2 纳米AgCu连接MOSFET器件的导电导热性能对比分析

5.3 单个SiC MOSFET器件高低温冲击可靠性测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢