高溫電子封裝界面失效分析及可靠性研究.pdf

1、選擇低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏和銅/三氧化二鋁陶瓷(DBC)基板建立了高溫大功率芯片連接(die-attached)封裝單元，對(duì)連接材料失效，連接材料與基板間的界面失效和DBC基板失效機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，對(duì)高溫功率電子封裝的可靠性具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文工作包括以下主要內(nèi)容。
　　 針對(duì)連接材料失效，通過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)、剪切強(qiáng)度試驗(yàn)及材料微觀形貌觀察，對(duì)納米銀焊膏的連接試樣進(jìn)行了熱疲勞特性研究。結(jié)果表明：燒結(jié)納米銀焊膏是一種含

2、孔隙率超過(guò)10％的連接材料。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，納米銀焊膏的孔隙率增加，連接試樣粘接強(qiáng)度降低?；谠囼?yàn)觀察到的納米銀焊膏孔隙率演化過(guò)程，定義損傷參量與孔隙面積相關(guān)，并考慮了高溫電子封裝單元中界面剪切強(qiáng)度的要求對(duì)連接試樣中的納米銀焊膏熱疲勞失效過(guò)程建立了損傷力學(xué)模型。為了提高熱疲勞試驗(yàn)效率，本文采用了機(jī)械疲勞試驗(yàn)代替熱疲勞試驗(yàn)的方法并引用了Chaboche提出的疲勞損傷模型對(duì)納米銀焊膏連接LED芯片的疲勞壽命進(jìn)行了較好預(yù)測(cè)。
　

3、　 針對(duì)連接材料與基板間的界面失效，結(jié)合納米銀焊膏的燒結(jié)工藝，通過(guò)能譜分析和X射線衍射儀(XRD)的試驗(yàn)方法考察了銀焊膏的燒結(jié)工藝對(duì)連接界面材料組成成份的影響，并利用分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬的方法，研究了三種不同鍍層類(lèi)型銅基板(鍍金，鍍銀和無(wú)鍍層)與納米銀焊膏在相同燒結(jié)工藝條件下的粘接強(qiáng)度。最后采用納米銀焊膏所連接的試樣進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。納米銀焊膏與不同鍍層基板間的剪切強(qiáng)度大小關(guān)系與通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算

4、出的對(duì)應(yīng)基板界面發(fā)生剝離時(shí)需要的能量大小關(guān)系一致。鍍銀基板最大，鍍金基板次之，沒(méi)有鍍層基板最弱。分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法能簡(jiǎn)單快速地為評(píng)價(jià)納米銀焊膏與不同鍍層材料的界面結(jié)合能力提供參考。
　　 針對(duì)DBC基板失效，基于描述基板金屬銅層高溫環(huán)境下塑性性能的Chaboche模型參數(shù)、溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果和有限元(FEM)熱應(yīng)力計(jì)算方法，對(duì)DBC三氧化二鋁陶瓷基板在高溫循環(huán)載荷下的熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，并討論了基板內(nèi)部熱應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布與熱疲勞

5、壽命之間的關(guān)系。最后利用一組倒角長(zhǎng)度為1mm基板試樣和一組沒(méi)有倒角的試樣在-55℃～250℃做了溫度循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)一步考察了基板內(nèi)銅層倒角和基板熱疲勞壽命的關(guān)系。結(jié)果表明：基板中銅層上的倒角能改變基板內(nèi)產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力所在的位置和降低基板邊緣處的塑性應(yīng)變值，并能夠延長(zhǎng)基板的熱疲勞壽命。
　　 通過(guò)DBC基板試樣在不同溫度循環(huán)范圍內(nèi)的熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，借鑒的塑性材料超低周疲勞壽命預(yù)測(cè)模型能夠?qū)BC三氧化二鋁陶瓷基板裂紋萌生壽命進(jìn)行

6、較好分析。為了進(jìn)一步了解帶裂紋基板的熱疲勞裂紋擴(kuò)展特性，本文考慮了試樣的長(zhǎng)度、寬度和試樣長(zhǎng)寬比的影響，設(shè)計(jì)了兩種長(zhǎng)度，兩種寬度和三種長(zhǎng)寬比的四組不同尺寸試樣用于-55℃～250℃溫度范圍內(nèi)的熱疲勞試驗(yàn)。最后本文利用裂紋熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的定義研究了含裂紋DBC三氧化二鋁陶瓷基板的斷裂性能。帶裂紋DBC三氧化二鋁陶瓷基板失效過(guò)程大致可以分為三個(gè)階段：第Ⅰ階段，裂紋迅速擴(kuò)展；第Ⅱ階段，裂紋緩慢擴(kuò)展；第Ⅲ階段，裂紋停止擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展速率隨著裂紋長(zhǎng)