基于新一代高温功率芯片封装的Ni-Sn TLPS连接特性与动力学研究

As a new technique developed in recent years, transient liquid phase sintering bonding (TLPS Bonding) exhibits a number of advantages, such as low bonding pressure and temperature, excellent resistance to high temperature, strong adaptability and so on. Furthermore, Ni-Sn TLPS bonding using Ni-Sn as reactive filler material possesses more liquid phase, better bonding characteristics and resistance to high temperature. In accordance with the demands of high-temperature power device packaging, this project aims to carry out the relative basic research on Ni-Sn TLPS bonding with Ni-Sn system as reactive filler material. Two basic problems will be investigated: one is the TLPS bonding characteristics including the bonding interface structure, interfacial reaction and bonding properties, the other is the bonding process kinetics, such as the characterization of compound transition during isothermal solidification, the kinetic model and its equation. The study of this project would be significant for exploring high performance bonding technology (materials and processes) of high-temperature power device packaging.

研究内容和意义：瞬时液相烧结（TLPS）连接是近年来电子封装领域发展起来的一种新的连接技术，具有连接压力小、连接温度低、接头耐温高、适应性好等特点。本项目拟针对新一代高温功率芯片封装"低温连接/高温服役" 的需求，以Ni-Sn为反应系进行TLPS连接，开展Ni-Sn TLPS连接的相关基础研究。包括"Ni-Sn TLPS连接特性"--连接界面结构特征、界面反应及连接性能等和"Ni-Sn TLPS连接过程动力学"--连接层等温凝固/化合物转变动力学表征、动力学模型及动力学方程等。项目研究成果对探索新一代高温功率芯片封装高性能连接技术（材料及工艺）具有重要意义。 特色与创新：Ni-Sn TLPS连接具有液相量大、连接特性好、耐温高等特点，国内外尚未见研究报道；项目拟建立的连接层等温凝固/化合物转变同心球动力学模型和相关动力学表征/分析方法对同领域研究具有普遍意义。

高密度、高功率、多功能化是现代电子产品的发展方向。新一代半导体可在500℃甚至更高的温度条件下保持良好的转换特性和工作能力，在航空航天、汽车、石油钻井等领域具有重要的应用价值。但是,半导体器件的最高允许工作温度不仅取决于半导体材料的性质，还受限于封装材料和技术，因此，新一代半导体器件芯片与基板之间的耐高温连接技术和可靠性问题亟待解决。.本项目以Ni-Sn为反应系开展Cu/Ni-Sn/Cu和Ni/Ni-Sn/Ni TLPS连接研究：系统研究了连接界面结构特征、界面反应、连接性能、连接层组织结构演变和连接过程动力学规律，建立了连接过程动力学模型及动力学方程。通过研究获得了如下重要研究成果（结果）： .（1）提出并成功实现了“低温连接/高温服役”的Ni-Sn TLPS连接方法（工艺）。采用含有70% Ni粉和30% Sn粉（质量分数）的混合粉末作为TLPS连接材料，在300℃下施加0.1MPa的压力即可实现连接。等温完成后，连接层初始液化温度高达800℃，接头在500℃下时效100h后强度基本不变。.（2）系统地研究了Ni-Sn TLPS连接层组织结构演变行为和机理，建立了连接层孔隙率演变的物理模型。研究表明，在300℃和340℃下分别等温240min和180min，连接层中的Sn完全转变为Ni3Sn4（Cu/Ni-Sn/Cu体系为三种Cu-Ni-Sn化合物）；连接过程中，连接层在一定时间内存在孔隙率反常增加的现象。.（3）提出了一种Ni-Sn TLPS连接动力学的定量表征和实验研究方法，建立了Ni3Sn4生长动力学模型及动力学方程。利用Sn的熔化焓定量表征Sn的残留率，获得了实际连接层和物理模拟中Ni3Sn4层的生长规律；通过建立Ni3Sn4生长同心球动力学模型，导出了Ni3Sn4生长的动力学方程，理论预测结果与物理模拟及实际连接层Ni3Sn4生长规律吻合良好。.本项目提出的Ni-Sn TLPS连接方法（工艺）在新一代高温功率芯片的封装中具有重要应用价值。针对Ni/Ni-Sn/Ni TLPS连接提出的动力学表征和实验研究方法及Ni3Sn4生长动力学模型对TLPS连接研究具有普遍意义，所获得的动力学方程可以为新一代高温功率芯片TLPS封装连接材料和工艺设计提供理论依据。