PDF《应用于大功率器件封装的 新型焊接材料纳米银膜》

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4 图2. 纳米银膜的 DSC 和TG 分析. (a) DSC曲线 峰值:197.1℃

60 40

20 0

100 96

92 88

84 0 -50 -100 -150 -200

100 200

300 400

100 200

300 400

500 600

700 193.0℃ 191.7℃ 温度/℃ 温度/℃ 129.8℃ TG/% DSC/(mW/mg) 放热 DTG/(%/min) 质量变化:-19.03% 残留质量:80.97(797.6℃) (b) TG曲线

40 为了进一步观察纳米银膜在焊 接时的真实烧结情况,我们用厚度为 0.1 mm 的纳米银膜在同样的条件下 焊接银片(图3) .因为 IGBT 的芯片 和基板一般都需要在表面镀银,所以 我们直接用银片代替.用扫面电镜观 察焊接后烧结银层的剖面形貌,没有 发现大的孔洞,只有纳米或亚微米级 的孔洞均匀地分布在烧结组织中,可 以看出焊接银层的致密化程度很高 (图3(a)) .另外,图3(b) 中对焊接银 层的 X 射线能量色散光谱(EDS)分 析表明,在松塔状晶粒之间只检测到 少量有机化合物的热分解碳残留.由 于碳残留物较少,而且主要分布在空 隙处的银层表面,对烧结过程中物质 迁移和银原子的重新排列没有造成严 重的影响,银烧结层内部热传导的散 射效应弱.所以,较低的孔隙率和残 渣率是我们的纳米银膜烧结后取得高 晶粒的长大和晶界的减少是纳米银膜 烧结后具有高导热能力的主要原因. 2.3 剪切性能 剪切强度的测试在铜板上进行, 所选用的基板没有经过任何的镀层处 理.以往的纳米银焊膏在焊接时常常 需要在所连接的物质表面镀上银,镀 银的目的是在烧结过程中与纳米银焊 膏形成原子扩散,从而有更好的结合 强度 [19] .我们的纳米银膜不需要镀银 就能直接焊接在铜板上,而且比镀银 的焊接效果还好.在实验中与基板互 连的芯片由与基板为相同材料的铜片 代替,焊接面积为

25 mm2 . 纳米银膜烧结后的剪切强度测 试表明,银烧结接头的平均剪切强 度达到

53 MPa,键合强度直接媲美 Sn-Pb 共晶合金焊锡的连接强度.剪 切后的断口形貌用肉眼就可以看到, 烧结银层与基体的结合部分弥散分布 在上下两个基板,而不是只在一面基 板的界面处,说明接头的断裂主要发 生在烧结银层中,烧结银层与基体相 互扩散产生的结合较为可靠 [20] . 为了佐证纳米银膜在铜表面上 的连接效果,我们比较了纳米银膜焊 银和焊 DBC 基板的内部缺陷情况. DBC 基板同样没有经过镀层处理,表 面为裸铜,在相同的工艺条件下分别 用纳米银膜进行焊接,随后使用超声 波显微镜对烧结接头进行无损检测, 探头扫描频率为

30 MHz.分析结果 表明,焊接银片的空洞率为 5.61%, 焊接 DBC 基板的空洞率为 0.38%(图4) .通过研究和对比两者的银烧结接 头内部缺陷,从侧面上证实了纳米银 膜焊铜的效果确实要比焊银的好.虽 然具体的原因还不清晰,但是纳米银 膜与两端 DBC 基板的铜表面很可能 是通过原子的相互扩散和融合形成了 稳固的冶金层,才会呈现出更为致密 和完好的连接接头形貌. 导热系数不可忽略的重要因素. 在纳米银膜焊接过程中,除了 孔隙率和有机物质在试样内部的热分 解残留情况会影响银烧结层的导热能 力外,还有烧结试样的结晶度.通常 来说,当块体材料的平均晶粒尺寸减 小到纳米级别以后,由于纳米级晶粒 的晶界对传热介质的散射效应,材料 的热导率会显著下降,甚至小于原始 热导率数值两个数量级.以块体银为 例,当平均晶粒尺寸降低到