【摘 要】
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随着宽禁带(WBG)材料的出现,要求电子器件能在高温、高频和大功率条件下工作,而传统Sn基互连材料由于界面金属间化合物层的生长等特性,难以适应功率器件功率循环、温度循环等服役要求。本文研发了一种可用于电子封装低温烧结技术的核壳结构覆银铜粉材料,将其配制成焊膏后利用金属纳米材料的纳米效应实现低温烧结互连,满足功率器件服役要求;该核壳结构覆银铜粉焊膏保持了银焊膏优良的电学性能和力学性能并降低了工业成本
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随着宽禁带(WBG)材料的出现,要求电子器件能在高温、高频和大功率条件下工作,而传统Sn基互连材料由于界面金属间化合物层的生长等特性,难以适应功率器件功率循环、温度循环等服役要求。本文研发了一种可用于电子封装低温烧结技术的核壳结构覆银铜粉材料,将其配制成焊膏后利用金属纳米材料的纳米效应实现低温烧结互连,满足功率器件服役要求;该核壳结构覆银铜粉焊膏保持了银焊膏优良的电学性能和力学性能并降低了工业成本;且相较于铜焊膏具有优良抗氧化性,适用于电子封装低温烧结互连工艺。本文利用置换与化学复合法制备核壳结构覆银铜粉。在制备工艺过程中,通过改变化学试剂种类、用量以及反应时间等条件得到包覆性良好的覆银铜粉。研究了化学镀银过程中铜纳米颗粒的变化并分析银镀层在化学镀银过程中的成核、生长机理。将覆银铜粉配制为焊膏在热压条件下进行裸铜基板之间的互连实验,探究不同基板粗糙度、外加压力和烧结温度对其互连结构可靠性的影响。研究结果表明:所制备覆银铜粉的粒径分布为3 nm至19 nm,平均直径为8 nm,并利用HRTEM表征了特殊的核壳结构。由于表面银原子的包覆,覆银铜粉较纯铜粉末具有优良的抗氧化性能。在化学镀银过程中,银镀层经异质成核后以层-岛混合生长模式逐渐沉积到铜纳米颗粒表面,最终形成包覆性良好的覆银铜粉。将表面有机分散剂减薄后的覆银铜粉配制成焊膏,在一定热压条件下能形成致密的烧结组织。在此基础上,发现覆银铜粉焊膏在粗糙基板上形成的烧结组织较光滑基板的致密,且剪切强度高,该结果与纳米颗粒与基板的接触面积和机械咬合有关。观察不同烧结温度下获得的互连接头微观组织发现,升高温度会造成银原子包覆的铜纳米颗粒转变为裸露的铜纳米颗粒,导致铜纳米颗粒发生氧化,不利于原子扩散过程。而接头断面形貌揭示了断裂发生在界面处,说明接头强度不高的原因在于纳米颗粒和基板的原子扩散反应。
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