高温功率电子封装用新型绿色芯片粘接材料的电迁移行为及理论研究

利用低温烧结纳米银粉焊膏，实现高温功率电子器件芯片与基板的连接，是近些年发展起来的新技术。本项研究通过对低温烧结纳米金属焊膏形成的银电极进行高温干燥环境中的电化学迁移试验，同时考虑温度及电场强度等环境因素的影响，得到新型绿色芯片粘接材料的高温应用时的电化学迁移基础特征数据库，建立高温应用时电化学迁移试验标准和方法。通过所得基础试验数据，研究建立可有效预测高温干燥环境中，银的电化学迁移所致失效的寿命模型，并提出和发展出一套可较好描述新型绿色粘接材料的高温金属电迁移行为的可能物理机制，为寻找可减缓或消除高温中银的电化学迁移的有效方法提供理论依据，从而指导高温功率电子封装的应用设计。本项目的研究对高温功率电子封装技术的发展具有重要的理论意义。

首先，本项目研究了纳米银焊膏在高温干燥环境和盐雾中的电化学迁移速率演化规律。发现升高温度或增加电场强度，均能明显缩短银的电化学迁移发生时间。随着时间推移，银在电极间以“树枝状”的形式从负极向正极不断“生长”。还研究了高温干燥环境中陶瓷基板表面烧结纳米银电化学迁移银“电桥”的显微组织，发现迁移银“电桥”主要由大量离散的银颗粒组成的，银颗粒分布主要集中在陶瓷基板组成颗粒边界处。.其次，本项目通过定义烧结纳米银电极间漏电流首次到达1 mA的时刻为其“失效寿命”，研究了在高温干燥环境中直流电压、电极间距、温度、绝缘基板类型以及电极材料组织结构对其“失效寿命”的影响。一方面，研究发现，高温干燥环境中烧结纳米银电化学迁移的“失效寿命”随着电极间电压的降低，电极间距的增加，温度的降低而增加，氮化铝陶瓷基板表面的烧结纳米银的电化学迁移的“失效寿命”高于氧化铝陶瓷基板表面。此外，同等环境中，纯银电极的电化学迁移“失效寿命”明显高于烧结纳米银电极。另一方面，本项目还研究了氯离子浓度对烧结纳米银电化学迁移的影响。研究发现，增加氯离子浓度，电极反应加快，同一时间阳极生成沉淀数量增多，阴极产生的气体增多。在较低氯浓度下（0～100 ppm），由于阴阳极反应速率的加快，银离子迁移与沉积形成树枝的过程加快，迁移“电桥”包括银“树枝”和“云状”片层；而在较高浓度下（100～400 ppm），由于阳极表面形成氯化银和氧化银沉淀，对阳极溶解起阻碍作用，“失效寿命”因此增加，迁移“电桥”只含银“树枝”。当氯离子浓度达400 ppm时，由于阳极表面形成大量沉淀，阳极的溶解被抑制，阴极生成氢气的搅动作用也阻止了离子的沉积，于是未沉积形成银“树枝”。.随后，基于Arrhenius公式，本项目建立并验证了在高温干燥环境中考虑直流电压，电极间距以及温度等因素的烧结纳米银电化学迁移“失效寿命”的半经验寿命预测模型。.最后，本项目还研究了高温干燥环境中烧结纳米银电化学迁移的可能机理，认为在高温干燥环境下，氧取代了湿气在常温常湿环境中烧结纳米银电化学迁移过程中扮演的角色。基于以上机理，本项目还开展了抑制银迁移的措施探索研究，提出了高温干燥环境中缓解烧结纳米银电化学迁移的可能性措施。包括高温干燥环境因素和其它气体环境因素的影响规律。研究发现，纯N2条件下，高温银迁移现象未出现，进一步说明O2是银电化学迁移的重要媒介。