网购分享吧

 找回密码
 注册账号

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 0|回复: 0

银纳米粒子低温烧结技术的应用

[复制链接]

 成长值: 918

2万

主题

2万

帖子

1231

积分

二星VIP会员

Rank: 2

金币
4
发表于 2019-11-10 07:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

本文的主要思路是提高80和更大直径的电源半导体芯片在使用银纳米粒子的硅片和钼圆片应用于低温烧结技术方面的稳定性,另外还测试了试验样品的接头焊缝孔隙率和循环性能之间的关系,并定义了烧结过程中的最佳压力和温度范围。电子元件




        前言



        低温烧结技术当前被广泛应用于半导体电源电子设备中,其中一个有利的趋势是该技术被用于连接80-150硅晶体的高超高功率晶闸管、二极管的硅晶体、钼圆片。



        高功率单片晶闸管的烧结应用经验代表了该技术循环能力改善的很多优势,而且,本文技术公布的层表面喷射指数值显示出很大的优势,该材质的应用由于增高了纳米粒子的自由能从而降低了烧结过程的压力和温度,而太高的自由能可能在烧结过程中引起内部的机械应力,可以通过增加接头焊缝孔隙率来降低机械应力,不过这会引起其他问题,研究在下面。



        因此,在电源半导体的生产上,重要的是在产生接头的烧结过程和焊缝中确定最小的压力值和温度值的平衡。



        烧结的加工机制



        烧结技术基于银的焊接和塑性变形的扩散原理,因此烧结的驱动力是存储在银粒子表面的自由能。



        主要的烧结过程模型是M S模型:



         



        γ – 自由表面能



        0 – 球孔的初始半径



        ρ0 – 起始孔隙率



        η(T) – 焊接黏度-温度关系



        而且,银纳米粒子自由能量值是随着银粒子尺度的降低而增高的。



       
               
                       

含银粒子尺度


20


100


30

                       
                       

自由表面能


20MP


40MP


143MP

                       
               
       



        表1:自由表面能和含银粒子尺度的关系


        自由能的增长可以降低烧结温度,而温度的降低对硅结构的残余应力值有积极的影响,但是,烧结可能通过高自由能而集中进行,这可能导致内部机械应力和焊接的断裂,可能通过增加接头的焊缝孔隙率来防止这些消极作用,增加焊缝可以提高弹性(降低杨氏拉伸模量)。



        另外,孔隙率的增加会加重焊接的导热性,这可能对半导体元件的热阻抗产生消极作用。



        而且,还有一个对于片装的大承载面晶体的晶闸管和二极管的典型的消极作用,在这些元件的热循环过程中切向力通过摩擦从上下铜盘传到半导体元件,其中作为半导体元件构成部分的钼热补偿器会补偿这些冲击力,但是,当钼热补偿器停止补偿时杨氏拉伸模量将导致硅片的损坏。



        这给80硅晶体的半导体组件的生产提供这些在烧结过程中不会产生内张力的孔隙率值是很重要的,其对热阻抗和焊接耐用性都有重大的影响。



        试验样品



        为研究热循环性能和接头孔隙率的关系,确定为2800V连续反向电压和2500A平均电流设计的100半导体的晶闸管TFI393-2500-28试验样品在烧结过程中产生的最佳温度和压力的范围值,实用基于银纳米粒子的银膜作为烧结材料,产出样品使用的过程条件:温度范围195 – 2350С,压力范围5 - 20 МPа。




        提高功率双极组件稳定性的机会



        图1为产生接头的孔隙率和低温烧结的过程条件的相关性。



          



         



        图1:产生接头的孔隙率和低温烧结的过程条件的相关性


        试验样品的热循环性能测试使用的过程条件:热梯度25-150 OC(数值为125 OC),循环量=100,得出以下结果(图2):



        在220 °С以下温度产出样品的热循环性能没有超过10-15循环量,比如产生接头的孔隙率明显过大。



        在220-235 °С温度和不大于 10 MP产出样品的热循环性能没有也超过10-15循环量。



        压力增加到12 MP以上引起热循环性能提升。



        在20 MP压力和235°С温度的条件下的产出样品没有确定损坏和特性退化。



        测试结果应该关联在各种烧结过程条件(图3)下焊接的孔隙率变化,从图3可以看出在焊接孔隙率不大于7的条件下能实现可接受的热循环性能。



        研究结果可以计算和预测压力值和温度值范围,纳米材料烧结可以实现热循环性能高的带有大承载面晶体的晶闸管和二极管硅钼的接头,图4。



         



        图2:样品的热循环性能和低温烧结过程条件的相关性


         



        图3:样品的热循环性能和接头的孔隙率的相关性


         



        图4:样品的热循环性能的承载面(线条之间)


        结论



        本文中研究的是通过连接大承载面的硅晶体和钼圆片得出的使用银纳米粒子烧结过程条件对焊接孔隙率和热循环性能的影响,展示了试验样品的热循环性能和焊接孔隙率的关系,而且,证明了在片装的带有大承载面硅晶体的晶闸管和二极管保持热循环性能的一个前提要求是焊接孔隙率不大于7,定义了银纳米粒子材料的烧结过程的温度值和压力值范围,该范围可以计算和预测关于以上提到的组件焊接的热循环高级性能。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册账号

本版积分规则

手机版|联系我们|免责声明|网购分享吧 ( 豫ICP备18037174号

GMT+8, 2019-11-19 10:09

Powered by Discuz! X3.1

© 2001-2013 Comsenz Inc.