摘要
由于传统航空功率模块中大面积基板连接采用锡铅焊料,可靠性不佳,本文采用烧结银进行大面积基板连接,研究了接头的力学性能、断裂模式和显微组织。结果表明:接头力学性能良好,平均剪切强度为45.18 MPa,呈现出内聚失效和韧性断裂模式,粘接层的孔隙率为4.82%,显微结构致密均匀,界面结合良好。改进的大面积烧结银工艺只需印刷一次焊膏,采用快速升温速率提高烧结银致密度,并将烧结压力降至2 MPa,可以满足航天功率模块中基板连接的要求。
随着宽禁带半导体的使用,航天功率电子器件处理的电流与电压变大,产生更多热量,影响器件寿
传统的锡铅焊料和无铅焊料的熔点较低,无法满足大功率IGBT器件中热界面材料的要求,且在高温、震动等恶劣环境下,焊料合金容易产生金属间化合
本文提出了一种单层印刷银焊膏粘接大面积(> 500 m
本文所使用的银焊膏由银微粒和有机物组成,固体负载量约为85%。焊膏中银微粒的平均粒径为2 μm,表面能较高,因此可以在远低于熔点的温度下完成连接,但也极易发生团聚。因此焊膏中含有分散剂、黏合剂、稀释剂等有机物,以确保颗粒分散/聚合物稳定、焊膏可印刷性和流动性。有机物在烧结之前必须去除。
大面积烧结银接头试样由使用焊膏粘接的两个直接覆铜板(DBC)制备。DBC基板尺寸为25 mm×25 mm,其中用于大面积连接的覆铜尺寸为24 mm×24 mm,陶瓷厚度为0.4 mm,两侧覆铜厚度均为0.3 mm。DBC基板表面电镀10 μm厚的银层,以防止铜的氧化和烧结过程中的扩散,确保良好的烧结质量。
试样制备的过程包括以下几个步骤。首先,将厚度为100 μm的焊膏丝网印刷到清洁的DBC下基板上,保证表面光滑均匀。为确保所有样品尺寸一致,提高实验效率和可重复性,定制的夹具用于固定下基板,控制烧结银的厚度,促进上下DBC同心对准。将试样置于可编程精密控温加热板上进行预干燥,然后将顶部DBC基板安装到焊膏层上,形成DBC基板三明治结构。放置一块氟橡胶在三明治结构上,起到缓冲均压的作用。最后,使用本课题组自行研发的可控压力烧结炉将样品在280℃下在2 MPa的压力下烧结40 min。试样如
图1 大面积烧结银基板连接接头示意图
Fig.1 Schematic of large-area substrate-bonding joints
传统的小面积烧结银工艺采用的升温速率为5℃/min,在200℃左右停留时间过长,焊膏在相对较低的温度下开始烧结,致密化程度较低。另外,对流干燥导致干燥速度较慢,烧结时仍有大量有机物残留造成缺陷,严重影响界面热阻,削弱模块的可靠性。
大面积烧结的挑战在于溶剂排放距离和溶剂量增大,导致高而不均匀的孔隙率和气泡等缺陷,限制了烧结银在基板连接上的使用。TAN等人通过双层印刷方法获得大面积烧结银接头,辅助压力为1.8~2.8 MP
对于烧结银而言,适当的干燥方法是高质量互联的关键因素,必须在干燥时间和最终互连质量之间取得平衡。为此,在烧结工艺前采用开放式接触干燥技术。与对流干燥等相比,开放接触干燥具有更大的蒸发面积,可以快速均匀地去除溶剂,同时焊膏上表面温度相对较低,仍然保留所需的润湿性,因此非常适用于超大面积烧
参考
图2 银焊膏热重(TGA)分析
Fig.2 Thermogravimetric analysis of silver paste
图3 改进的大面积烧结银工艺示意图
Fig.3 Modified processing of large-area silver sintering
试样制备完成后,根据GJB4027A—2006标准,超声扫描显微镜面扫描模式(C-scanning acoustic microscope, C-SAM)和X射线计算机断层扫描(X-CT)用于评估烧结银层的的微观结构,观察有无气孔、裂纹等缺陷。本文所使用的X射线计算机断层扫描仪型号为YXLONY Cougar SMT,其分辨率可达1 μm。超声扫描显微镜型号为SONIX ECHO,其分辨率为0.5 μm,重复精度为±0.5 μm。为了检验24 mm×24 mm的大面积烧结银接头的机械性能,用金相切割机将样品按照4排4列的形式切成16个小块,通过剪切测试仪以0.2 mm的恒定剪切速率进行测试,获得试样的剪切强度大小和分布,从而评估粘接质量。扫描电镜(SEM)用于观察剪切断裂位置的形态,获知失效形式。另外,为研究界面结合情况和孔隙率,使用SEM观察横截面微观结构。
为了考察单次印刷工艺所制备大面积烧结接头的连接质量,采用C-SAM和X-CT进行无损检测,结果如
图4 大面积烧结银基板连接接头无损检测图像
Fig.4 Non-destructive testing image of large-area sintered silver substrate joints
低温烧结银大面积连接接头的强度二维分布情况如
| 试样编号 | 剪切强度/MPa | 试样编号 | 剪切强度/MPa |
|---|---|---|---|
| 1 | 46.95 | 9 | 39.51 |
| 2 | 43.39 | 10 | 34.42 |
| 3 | 50.79 | 11 | 40.80 |
| 4 | 46.85 | 12 | 51.84 |
| 5 | 49.28 | 13 | 43.53 |
| 6 | 43.35 | 14 | 41.67 |
| 7 | 46.64 | 15 | 47.37 |
| 8 | 49.84 | 16 | 46.67 |
| 平均剪切强度 | 45.18 | ||
综合考虑无损检测和剪切试验的结果,改进工艺制备的大面积烧结接头焊膏分布均匀,粘接强度高,没有明显的孔洞、裂纹等缺陷,可满足航天功率模块中基板粘接的要求。通过优化的烧结工艺制备的试样的断裂模式和微观结构使用SEM表征。
连接试样的剪切断面微观形貌如下
图5 大面积烧结银基板连接接头剪切断面SEM图像
Fig.5 SEM image of shear section of large-area sintered silver substrate joint
通过对改进工艺制备的试样截面进行SEM显微观察,从下
图6 大面积烧结银基板连接接头横截面SEM图像
Fig.6 SEM image of cross section of large area sintered silver substrate joint
银焊膏烧结后的多孔纯银结构,除了具有较传统连接材料更高的导电、导热性能以外,还具有较低的弹性模量,可以很好的削弱由于上下连接层热膨胀系数不匹配造成的剪切应力,获得更好的长期可靠性。
孔隙率对烧结银性能的影响不可忽略。通常,孔隙率越低,粘合层的热电性能越好。Image pro plus用于处理图像并计算孔隙度。为了缩小误差幅度,采用四个SEM图像的平均值。孔隙率为4.82%,远低于双层印刷工艺的孔隙率17.6
本文改进的航空功率模块中大面积(>500 m
(1)采用单层印刷,50℃,60min的预干燥步骤可以有效控制缺陷,获得没有明显缺陷的大面积银焊膏烧结连接接头。
(2)快速升温可优化烧结质量,所得接头强度分布均匀,平均强度可达45.18 MPa,在剪切测试中表现出内聚破坏模式和典型的韧性断裂形态。
(3)采用改进工艺制备的烧结银连接层微观结构均匀致密,孔隙率为4.82%,没有发生分层现象。
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