高功率IGBT芯片的瞬时低温烧结互连方法及其性能研究

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纳米银焊膏作为一种无铅化芯片连接材料已被广泛关注。它具有优良的机械性能、耐高温特性、良好的导电、导热性能,可满足大功率电力电子器件的耐高温和高功率密度封装要求,其有望成为取代传统无铅焊料,成为未来半导体器件封装的关键材料之一。以往纳米银焊膏主要采用传统的热压烧结工艺,但热压烧结工艺条件复杂,例如烧结时间较长(~1小时)。虽然近些年我们开始尝试利用纳米银焊膏实现金属dummy芯片与金属基板的快速烧结连接原理的研究,并取得了一定的进展。但尚无法实现功率半导体器件与陶瓷覆铜(DBC)基板的快速烧结连接,极大的限制了纳米银焊膏及其快速烧结方法在功率半导体模块封装中应用。因此,本文通过自行设计快速烧结纳米银焊膏的一体化工艺装置,通过研究电流辅助烧结纳米银焊膏连接绝缘栅双极性晶体管(IGBT)芯片的方法及致密化机理,开发了可行的电流辅助快速烧结工艺,成功实现了IGBT及其续流二极管器件与镀银铜基板的快速(150 s)以及与DBC基板的瞬时(10 s)低温烧结连接。其中重点研究了烧结电流与通电时间对烧结银接头微观组织结构的影响规律,阐述了烧结纳米银中孪晶组织与烧结银接头的热、电性能的定性或半定量关系。具体包括:首先,本文自行设计并开发了IGBT芯片与基板的快速烧结连接的装置,并利用红外热成像技术实时记录研究了快速烧结过程中纳米银焊膏层及其附近区域的温度场演化。结果表明:烧结过程中焊膏层的峰值温度仅由烧结电流值决定,与通电时间无关;通电时间只影响峰值温度的保持时间。随后,本文系统研究并讨论了烧结电流、通电时间、预热温度和预热时间对IGBT芯片与镀银铜和DBC基板间的烧结银接头的剪切强度、剪切断口形貌、孔隙率、空洞率、热阻以及电性能的影响。结果表明:当烧结电流为2.0 kA,通电时间为150 s时,纳米银焊膏可以完成高度致密化烧结,成功实现IGBT芯片与镀银铜基板的可靠互连;鉴于DBC基板的散热性能低于铜,且电流流过基板时产生的焦耳热会随着电极间距的增加而增大,因此可在烧结电流为1.1 kA,通电时间为10 s,成功实现IGBT芯片与DBC基板的可靠互连。最后,本文还利用透射电子显微(TEM)方法对烧结电流为1.1 kA,通电时间为10 s的近乎“瞬时”烧结纳米银的晶态组织特征分析,发现烧结过程中,烧结银中会有大量孪晶结构,并分析阐述了孪晶结构对快速烧结银接头热电性能的影响。
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