高温环境下纳米Ag-Pd焊膏的抗电化学迁移老化行为研究

摘要

纳米银焊膏以其优良的机械、电、热性能，以及绿色无铅等优点，逐渐取代传统的锡铅焊料和无铅焊料成为功率半导体器件封装的关键材料之一。但是大量研究表明，银是一种极易发生迁移的金属，而金属的电化学迁移是电子元器件失效的主要形式之一。以往针对银的电化学迁移行为的研究主要集中在常温潮湿环境中，但是随着可应用于高温环境下的宽禁带半导体功率器件的发展，银在高温环境下的电化学迁移行为也引起了重视。有研究者提出制备Ag合金粉末代替纯银，如Ag-Pd，可以有效控制银的电化学迁移。但是目前的制备方法都存在工艺复杂，银钯粒子易团聚等问题，而且关于Pd或Ag-Pd合金抑制机理的报道很少。因此，亟需探究一种新工艺，并澄清Pd或Ag-Pd合金的对银电化学迁移的抑制机制。 本文提出了一种混合制备工艺并制备了纳米Ag-Pd焊膏，主要研究了该焊膏的高温电化学迁移行为和Pd微粒对银的电化学迁移抑制机理。这为功率半导体器件高温封装的可靠性设计提供了理论指导。 首先，本文将Pd微粒加入到纳米银焊膏中混合制备了纳米Ag-Pd焊膏，并通过烧结过程实现银钯的合金化。结果表明：焊膏中Ag粒子和Pd粒子的合金化程度随着烧结温度的升高而加剧，其合金化过程是Ag粒子向Pd粒子扩散的过程。 接着对比分析了纳米Ag-Pd焊膏与纳米银焊膏的电化学迁移失效行为。结果表明：相同烧结温度下，烧结Ag-Pd电极的电化学迁移失效寿命远高于烧结银。因此Pd微粒的加入对银的高温电化学迁移起到了很好的抑制作用。对于纳米Ag-Pd焊膏，不同烧结温度下，烧结Ag-Pd电极的电化学迁移失效寿命值排序为：350℃>430℃>800℃，对应的物相组成分别为，PdO（氧化过程） +Ag-Pd合金 +Ag+Pd、PdO+Ag、Ag-Pd合金。因此，PdO和Ag-Pd合金对银电化学迁移的抑制作用排序为：PdO（氧化过程） +Ag-Pd合金 >PdO>Ag-Pd合金。 最后，我们探究了Pd微粒的加入对烧结银在高温环境下的电化学迁移抑制机理。在银的高温电化学迁移过程中，PdO形成过程中的氧气竞争机制决定了烧结银在高温干燥环境下的电化学迁移失效寿命，而不是PdO本身的数量以及PdO和Ag-Pd合金的简单混合。Ag-Pd连续固溶体合金的形成，使体系的Gibbs自由能降到最低值，从而增强了其热力学稳定性，不易发生氧化分解，进而降低了Ag-Pd复合离子的迁移速率，延长了电化学迁移失效寿命。

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1.1 引言

1.2 纳米银焊膏

1.3 功率半导体器件封装的可靠性

1.4 本文的研究意义和主要工作

2.1 试验材料

2.2 电化学迁移试验的测试和表征方法

3.1 纳米Ag-Pd焊膏的TEM分析

3.2 烧结工艺参数选取

3.3 烧结银和烧结Ag-Pd的显微特征对比

3.4 电化学迁移行为

3.5 电化学迁移产物分析

3.6 本章小结