锡粉掺杂纳米银焊膏的低温无压烧结研究

摘要

相较于目前普遍使用的硅半导体材料，现今的新型电子半导体材料碳化硅、氮化镓等有着更高的功率密度，更大的散热需求和更宽的操作温度。这些大功率的器件要承受很高的工作温度，而且器件工作时产生的热量，如果不能及时处理将会造成器件稳定性降低。纳米银焊膏由于能够实现低温烧结，且烧结完成后为单质银层多孔材料，具有优良的热学、电学、力学性能和可靠性，以及可以应用于高温环境，而成为一种高功率器件的芯片级连接材料。
　　但是，由于纳米银焊膏烧结温度（280℃）较高，其在一些领域并不适用于工业应用。因此，为了降低纳米银焊膏的烧结温度，本文采用瞬态液相烧结理论，通过向纳米银焊膏中掺杂一定量的微米粒径的锡膏，将二者溶于有机溶剂，通过机械振荡，超声振荡混合均匀，恒温水浴挥发至适宜的粘度，制成掺杂微米锡粉的纳米银焊膏（TDSP（tin doped silver paste）），并利用场发射扫描电镜（SEM）对TDSP各元素面分布做了测定和分析，结果表明，制作完成的TDSP粒子之间基本无团聚，各元素混合均匀。
　　其次，本文通过对制作完成的TDSP膏体进行失重分析（TGA），考察了烧结过程中有机物挥发的机制，确定了合理的试验参数，从而制定了相应的烧结工艺。其中，烧结工艺中最高的烧结温度为235℃，远远低于一般纳米银焊膏的最高烧结温度（280℃）。通过SEM对烧结TDSP做微观分析，结果表明，烧结的TDSP是Ag/Ag3Sn/Ag-Sn固溶体的复合物。并且，随着掺杂的锡的含量的增多，生成的Ag3Sn量也增多。Ag3Sn金属间化合物以球形形状存在。之后，本文分析了TDSP瞬态液相烧结机制。TDSP的烧结是一个由固态扩散转变为固液扩散的过程，扩散过程中由于液相的出现，加快了粒子的迁移速率，烧结也更为致密。
　　最后，本文用Condor150剪切机对烧结TDSP接头的连接强度做了检测，结果表明，当向纳米银焊膏中掺杂的锡含量为4wt.％时，烧结TDSP接头连接强度最高，随着锡含量的增加，接头剪切强度下降到低水平，通过XRD对烧结TDSP做检测，发现随着掺杂的锡的含量的增多，银基体XRD峰向右偏移，Ag3Sn金属间化合物的相对含量增多，说明第二相强化机制和固溶强化机制对于接头连接强度的提高起了重要的作用；但是掺杂的锡含量超过5wt.%时，由于Ag3Sn这种硬脆性相增多导致的微观裂纹增多，引起烧结TDSP接头连接强度的陡降。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电子封装用连接材料

1.3 瞬态液相烧结（TLPS）理论

1.4 本文研究意义和主要工作

第二章 试验材料及试验方法

2.1 试样材料

2.2 试样及制备过程

2.3 测试系统

第三章 烧结工艺制定

3.1 TDSP膏体均匀性分析

3.2 TDSP热重分析

3.3 TDSP烧结工艺

3.4 本章小结

第四章 烧结机理

4.1 烧结成分SEM分析

4.2 烧结成分XRD分析

4.3 烧结机制

4.4 本章小结

第五章 烧结TDSP接头机械性能

5.1 烧结TDSP接头形貌

5.2 TDSP接头连接强度

5.3 TDSP宏观形貌

5.4 强化机制

5.5 连接强度弱化机理

5.6 本章小结

第六章 结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢