基于超声的锡基钎料芯片键合界面反应机制

摘要

随着科学技术的迅猛发展，半导体器件朝着小型化、高功率、高集成度的方向发展。功率器件也应运而生，在功率转换、电流控制以及汽车电子等消费电子领域得到了广泛应用，同时也意味着电子器件需要承受较高的电流密度、更高的热量散发，因此急需可以在恶劣环境稳定工作的封装材料。传统用于高温封装材料主要为高铅钎料和金基钎料，但由于无铅化禁令的宣布以及较高成本，限制了其在封装领域的使用。在低温下快速形成高熔点完全金属间化合物连接接头是一种低成本的键合方法。
　　超声波在液态钎料中传播时会引起超声空化和超声声流作用，超声空化效应和声流效应的作用会促进基体原子向液态钎料的扩散，能够缩短形成完全金属间化合物接头的时间。本课题提出了一种将超声波直接作用于Cu基板，而芯片不施加压力的焊接结构。实现了在工艺参数为250℃、超声功率为500W、焊接时间为10s的情况下获得了热阻为0.252mm2·K·W-1，接头剪切强度为69MPa的高性能连接接头。经过热循环试验和高温储存试验后连接接头剪切强度分别为46.6MPa和58.9Pa。同时该完全金属间化合物接头经过275℃、24h的热储存试验后，剪切强度依然很高为39.1MPa。
　　超声波辅助焊接过程中由于超声波空化效应和声流效应对上下界面的作用，在焊缝中形成了大量弥散的金属间化合物，并且这些小尺寸的金属间化合物具有弥散强化的作用，使得获得连接接头剪切强度明显升高。同时长时间高功率的超声作用会促使界面金属间化合物厚度增加，并且提供能量使得不同的金属间化合物晶粒发生相互吞并长大，在完全金属间化合物接头中形成了贯穿上下界面的金属间化合物晶粒。
　　此外，由于高温储存试验导致芯片金属化层参与相变产生孔洞缺陷，基于该问题本课题提出了镀Ni芯片与Ni基板连接的焊接结构。为了缩短形成高熔点完全金属间化合物接头的时间，本研究设计了金属粉混合制备合金钎料的芯片键合方法。通过配备不同质量分数的Sn粉和Ni粉合金粉末与钎剂混合成钎料膏，然后用于Ni-Ni的连接。实现了在工艺参数为250℃、压力为1MPa、钎料组分为Sn70Ni30、焊接时间为10min的情况下得到一个为镍锡金属间化合物和Ni组成的高熔点接头，服役温度可达580℃。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外在该方向上的研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 实验材料和实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备及方法

2.3 焊缝微观组织形貌的观察与分析

2.4 连接接头剪切性能测试

2.5 焊缝及钎料块硬度测试

2.6 连接接头热扩散系数测试

第3章 超声辅助Chip/Sn-0.7Cu/Cu钎焊工艺的研究

3.1 引言

3.2 超声辅助芯片键合可行性研究

3.3 钎焊工艺对焊缝组织的影响

3.4 高温服役对焊缝组织的影响

3.5 不同工艺参数下接头力学性能表征

3.6热学性能表征

3.7 本章小结

第4章 Ni/Sn-Ni/Ni钎焊工艺的研究

4.1 引言

4.2 预制片性能表征

4.3 Ni/Sn-Ni/Ni连接接头组织表征

4.4 热储存试验对焊缝微观组织的影响

4.5 力学性能表征

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢