基于银焊膏电流烧结的电子组件气密封装研究

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微电子组件被广泛应用于各种极端环境下,为了确保微电子组件内部保持恒定的环境,以获得最佳的操作性能和更长的使用寿命,需要通过气密封装以保护电子电路免受应用环境的恶劣影响。由于传统气密封装方法在封装的过程中会给电子器件带来不利的影响,因此本文基于银焊膏电流烧结快速互连技术,提出了一种新型的气密封装方法。本文对电流烧结银密封接头形成的机理、影响因素进行了分析,并对密封接头的可靠性进行了研究。首先,利用红外热成像仪和有限元软件研究了银焊膏通电烧结过程中样品表面以及内部的温度场变化情况,发现该方法可以实现接头区域局部加热,从而将有效地降低封装过程中电子组件内部芯片及其连接层受到的热影响。随后,本文以通电电流为5.0 k A为例,分析了不同通电时间的烧结银接头温度、接头微观形貌、接头强度及密封样品泄漏率。结果表明,电流烧结银密封接头的形成过程可分为三个阶段:首先,通电后接头温度快速升高,导致焊膏中的有机物快速地逸散,有机物被去除后,接头升温速率下降,也使得银颗粒之间彼此直接接触;随后彼此接触的银颗粒之间发生扩散和物质传输,接头逐渐致密化;当接头温度超过了400℃,烧结银接头会在电极压力下发生塑性变形,孔洞会被挤压闭合,促进烧结接头进一步致密化,最终获得了致密的可靠密封接头,可以保证封装样品的泄漏率低于极限值(5.0×10-3 Pa·cm~3/s)。随后,本文研究了电流大小和电极压力对封装过程的影响。增大电流可以增加接头的烧结温度,温度越高越有利于烧结银接头的致密化,从而提高接头的强度和密封样品的气密性。增大电极压力会增加密封盖板位置的残余应力,过大的残余应力会增加连接层发生分层的风险,从而影响烧结银密封接头的性能。最后,本文研究了烧结银密封接头的可靠性。对比分析了电流烧结银和传统焊料(Au80Sn20)密封接头在高低温冲击下(-55~125℃)的退化行为,结果表明传统焊料密封接头会更早地出现气密性退化。同时研究了不同初始微观结构的烧结银密封接头的可靠性差异,高低温冲击(-55~125℃)和高温老化(250℃)的测试结果表明,低孔隙率、高致密度的电流烧结银密封接头的可靠性更高。
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