高密度电子封装用纳米银互连材料的疲劳失效行为研究

摘要

纳米银焊膏作为一种新型无铅化芯片互连材料，具有良好的机械性能、导电性能以及导热性能，可满足大功率电力电子半导体器件的高温、高密度封装要求。随着具有高频、高温应用特性的第三代宽禁带半导体器件的迅速发展，纳米银焊膏被视为未来第三代半导体器件高密度、高温封装的关键互连材料之一，已引起广泛关注。由于宽禁带半导体器件可能运行在极端的温度环境中（-55℃至250℃），因此，研究作为器件互连材料的纳米银焊膏的疲劳失效行为的意义重大。
　　本文采用高分辨率电荷耦合元件(CCD)搭建非接触位移测试系统，配合电子万能疲劳试验系统、红外辐射加热装置、水冷系统，通过实时连续测量纳米银互连焊层在不同温度环境中的载荷-位移关系，利用“软传感器”将相对位移值与施加载荷值同步输出，实现研究烧结纳米银互连焊层在不同温度下的疲劳失效行为。
　　室温下，本文研究了应力率、平均应力、应力幅值及应力比等因素对烧结纳米银互连焊层的疲劳失效行为（棘轮行为）及其疲劳寿命的影响。实验结果表明：随着平均应力，应力幅值和最大应力的增加，应力比和应力率的减小，烧结纳米银互连焊层的寿命缩短；当应力幅值较大而平均应力较小时，材料的棘轮失效主要归于低周疲劳破坏，当平均应力较大而应力幅值相对较小时材料的棘轮失效主要归于较大的棘轮变形引起的棘轮失效。此外，还利用三种考虑平均应力的寿命预测模型：Smith-Watson-Topper(SWT)模型, Gerber模型和Goodman修正模型，对烧结纳米银互连焊层的疲劳寿命进行分析预测。通过模拟结果比较发现，采用Goodman修正模型的烧结纳米银互连焊层的寿命预测结果与实验结果最为吻合，因此，Goodman修正模型可用于预测芯片互连材料的疲劳寿命。
　　高温下，本文还研究了温度、平均应力和应力幅值等因素对烧结纳米银互连焊层的疲劳失效行为及其疲劳寿命的影响，并提出了温度相关的Goodman修正模型，可实现较准确预测纳米银互连焊层的疲劳寿命。本文还通过对比纳米银与SAC305无铅焊料合金的高温疲劳失效行为，发现在相同载荷条件下，烧结纳米银互连焊层的疲劳寿命明显长于SAC305焊层，说明纳米银互连焊层的抗循环疲劳的可靠性优于无铅焊料，尤其在抗高温疲劳方面优势明显。因此，本文认为，纳米银焊膏可代替无铅焊料合金，成为未来高密度、高功率电力电子器件封装的可靠无铅互连材料。

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第一章 绪论

1.1电子封装概述

1.2电子封装用芯片互连材料

1.3电子封装中互连焊层的疲劳失效行为研究

1.4烧结纳米银互连焊层的疲劳失效行为研究现状

1.5烧结纳米银互连焊层疲劳失效行为的测试方法

1.6本文的研究意义和主要工作

第二章 试样制备及实验设备

2.1试样制备

2.2试验设备

第三章 材料疲劳失效行为的非接触无损测试系统

3.1简介

3.2系统可靠性评估

第四章 室温下烧结纳米银互连焊层的疲劳失效行为研究

4.1剪切试验

4.2室温下的循环剪切试验

第五章 高温下烧结纳米银互连焊层的疲劳失效行为研究

5.1剪切试验

5.2高温循环剪切试验

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

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