纳米银焊膏焊点可靠性和失效机制

时间： 2024-07-10 来源：阿基米德半导体公众号

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随着在电力电子、微波射频器件、汽车电子、航空航天以及军工等领域的广泛应用，第三代半导体对芯片封装材料的要求日益严苛，这些材料需具备卓越的机械强度、导热导电性能、高熔点、高温循环下的组织稳定性以及高温蠕变抗性。在此背景下，由于由于银较高的服役温度（961℃）以及优越的热电导率，使其作为低温互连材料在功率半导体领域得到了广泛的应用。然而，电力设备的不同组件之间的热膨胀系数(CTE)不匹配引起的高烧结Ag热应力，会导致瞬时灾难性失效(当应力超过烧结 Ag和烧结 Ag连接的极限强度)或随时间扩展裂纹导致的失效。后者随着累积塑性应变和变应变的增大而失效，从而使有效粘接面积减小，最终失效。这些裂纹的萌生和扩展是烧结Ag焊点在功率模块上的主要失效模式。在烧结银焊点成形过程中，除纳米银颗粒自身烧结外，纳米银与焊盘间的烧结互连也极大地影响了焊点的力学性能。尤其在银颗粒与异质金属焊盘键合时，焊点失效位置往往位于焊点界面处。因此深入理解纳米银与金属焊盘的连接过程与冶金机制将帮有助于更好的调控焊点性能并提升焊点可靠性。

（一）烧结接头内部晶体断裂机制分析：

纳米银颗粒晶间的烧结组织结构决定了烧结接头的机械性能。在这里，我们根据不同的烧结接头的机械性能，分析不同烧结程度的接头断面和金相界面组织形貌的，提出了三种不同的晶间组织变形失效机制：晶间互连组织良好孔隙率低以晶粒内部位错滑移主导的断裂机制，晶间互连组织较好但孔隙率略高以孔洞失效和晶内断裂共同主导的断裂机制，晶间互连组织较差孔洞偏高主要是在孔洞处失效的晶间界面断裂机制。

1. 晶间组织良好孔隙率低的烧结接头

晶间组织良好低孔隙率的烧结接头内部失效模型被如下总结见图a1-a3。图(a1)是经过处理后的低孔隙率晶间组织良好的金相界面图，黑色部分表示孔洞，白色部分为晶间组织。在施加剪切载荷之后，由于孔洞很少且分布广泛，应力并不会集中在缺陷处，随着剪切力的不断增加，接头内部的晶粒需要不断滑移以应对塑性变形，产生不完全的位错，晶粒也被拉长。当剪切载荷增加到接头内部可以承受的最大值时，在晶间组织的叉口交会处出现了缺陷，同时晶粒也发生断裂，产生大量的塑性形变，形成韧窝状的断裂形貌如图(a3)所示，具有较高的剪切性能。

2. 晶间组织良好孔隙率低的烧结接头

晶间组织较好孔隙略高的断裂失效过程见图(b1-b3)。图(b1)是经过处理的孔隙略高晶间组织较好的接头的金相截面图，相较于图(a1)，其孔洞数量明显增加，孔洞尺寸变大，但依然具有较好的晶间组织。当剪切载荷施加时，首先在孔洞处出现了部分应力集中区域，这些区域将会在早期就引入塑性变形甚至开裂，使组织内部缺陷增加。随着剪切力进一步上升，这些缺陷将会导致周围的晶粒承受更多的应力集中，进一步拉伸晶粒，导致晶粒的变形，最终引起晶粒的断裂，造成一种晶间-晶内混合的韧- 脆断裂模式。如图(b3)所示这种岩石状晶内塑性断裂的周围聚集着部分的孔洞和缺陷，在这种断裂模式的影响下接头仍然能够保持一定的剪切性能。

3. 晶间组织差孔隙率高的烧结接头

图(c1-c3)显示了晶间组织较差孔洞偏高的断裂失效行为。图(c1)是经过处理后的未含烧结助剂的原始接头金相截面图，和图(a1)和(b1)相比，此图中存在大量的尺寸偏大以及分布广泛的孔洞。当剪切载荷刚刚施加时，这些孔洞缺陷处就开始集中大量的应力，同时由于存在较差的晶间组织结构，导致晶间出现大量的相界面如图(c2)中加粗实线所示。不等剪切力的进一步增加，这些缺陷和界面处就由于过早的应力集中而发生了断裂滑移，这也导致断面呈现出光滑的晶间断裂形貌，并无明显的晶内位错断裂形貌如图(c3)所示，这种断裂模式下接头的剪切性能较差，无法满足实际应用的需求。

（二）烧结银接头界面断裂机制分析

1. 金银互连界面断裂失效模型

显示了金银互连界面断裂失效模型。如图（a1）所示此时接头的薄弱处位于金银界面的互连区域，从图（a3）中也可以观察出此时金银界面处存在大量的未键合区域。当剪切载荷施加时，首先这些未完全键合区域的缺陷处会产生大量的应力集中，在很低的应力载荷下，裂纹就会沿着这些金银界面的薄弱处进行扩展，直接造成了基板的剥离，因此图（a2）虚线处的DBC基板上裸漏了大量的金层，这种界面失效模式导致了较低的剪切力，无法满足实际应用的需求。

2. 金银互连界面-烧结层内部混合断裂失效模型

金银互连界面-银烧结层内部混合断裂失效模型是被总结如下图(b1-b3)。图(b1)显示，当剪切载荷施加时，这种模型的裂纹首先在金银界面的薄弱区域展开，但是由于这种接头在金银界面存在一定的牢固键合区域如图(b3)虚线处所示。当裂纹展开到这些牢固的组织结构处无法突破时，就会沿着银烧结层内部的组织缺陷继续传递，使得应力开始向银烧结层内部的组织缺陷处集中，最终再次传递到金银界面的薄弱点，导致接头的断裂，如图(b2)所示可以在DBC基板中间区域观察到部分银层裂纹。这种接头界面失效模式可以保证接头一定的剪切性能。

3. 银烧结层内部断裂失效模型

(c1-c3)显示了银烧结层内部断裂模型。这种模型的金银界面存在牢固的键合区域且银烧结层内部也存在良好的晶间组织结构如图(c3)所示。当剪切载荷施加时，这种烧结层的晶粒内部会产生用来协调塑性形变的位错，因而会在晶间组织处产生一定的应力集中，随着剪切载荷的进一步增加，这些应力集中部位会产生一定的裂缝缺陷，最终裂纹在这些裂缝缺陷等薄弱区域开始扩展，导致银烧结层内部的断裂。如图(c2)可以在DBC基板上观察到大量的银层裂纹，并无金层的存在，在这种断裂模式的影响下，烧结接头往往伴随着较大的剪切力，具有很高的机械性能。

通过对上述两-三种断裂失效机制的分析，明确了银焊膏烧结接头的力学性能主要受到接头内部晶间组织关系以及界面连接性能的影响。同时烧结助剂的使用能够进一步强化晶间组织，促进界面间的互连，使银焊膏能够在低温下烧结互连形成牢固的烧结接头。

（三）提升烧结银焊点可靠性的策略

为了提升烧结银焊点的可靠性，我们可以从材料优化、界面工程和应力缓解等方面入手，深入研究纳米银与金属焊盘的连接过程与冶金机制。

材料优化：通过调整纳米银颗粒的尺寸、形状和分布，可以改善其与异质金属焊盘的烧结互连质量。例如，较小的颗粒尺寸可以提供更大的表面积，有助于更牢固的互连。

界面工程：研究不同金属焊盘材料对焊点力学性能的影响，优化焊盘材料的选择和表面处理工艺。使用涂层或界面活化技术，可以提高银与焊盘之间的结合强度。

应力缓解：开发新型填充材料或结构设计，以缓解因热膨胀系数不匹配引起的应力集中。例如，使用弹性填充材料或多层结构，可以有效分散应力，减少裂纹的萌生和扩展。

结语：随着技术的不断进步和应用需求的增加，银在功率半导体中的应用前景将更加广阔。通过持续的研究和技术创新，我们有望解决当前存在的技术挑战，进一步提升银焊点的性能和可靠性。在未来，随着新材料和新工艺的不断涌现，我们可以期待银在功率半导体领域中发挥更加重要的作用，为电力设备的高效、安全运行提供有力支持。

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810-18N2,R2620ZC22K,IXBH 10N170,R2620ZC22J,MDMA 140P1200TG,MDA950-18N1W,NANOASMDC016F-2,IXFN 40N110P,IXFX 250N10P,MCD320-30IO2,IXTY 10P15T,IXBOD 2-50R,DPG 30I300PA,IXFN 50N120SK,CPC3902,N2172ZD420,IXTT 16N20D2,MDD 710-26N2,W3841VC300,N4340TJ180MBR,IXTP 12N65X2,N3175HE160,SV6020R2TP,DSEI 60-02A,DPG 60C400QB,CPC3909,W2115MC520,DSEC 60-06B,DSEC 60-06A,MCMA 450UH1600TEH,DSSK 30-018A,IXYP 10N65C3,IXBH 22N300HV,IXTA 62N15P,CNE 60E2200TZ,DSI 2X55-16A,IXFR 180N15P,F1500NC200,LSIC2SD120C10,IXFP 220N06T3,MCD600-22IO1W,IXTA 36P15P,MIXG 360PF1200PSTED,F1500NC250,IXFH 80N65X2-4,MDD 175-28N1,IXBT 32N300HV,DSA 35-12A,IXTX 60N50L2,M0710LC560,R5145FA42V,IXTH 30N50P,R5145FA42W,DHG 100X650NA,IXGT 10N170A,IXFA 10N80P,MMIX 1T132N50P3,FMM 22-06PF,DMA 30P1200HB,DSA 75-16B,W5130MK280,IXTH 2R4N120P,LSIC1MO120T0080,IXTX 80N30L2,IXYN 75N65C3D1,MDD630-36N2,DSEI 2X161-06P,W5838ZD220,DSEI 60-12A,IXYH 40N65C3H1,W5282ZC240,IXTR 210P10T,MDMA 425P1600PTSF,IXXK 300N60C3,P0848YC06B,P0848YC06C,DHG 60C600HB,DPG 30P300PJ,LSIC1MO120E0040,S0700KC14Y,IXFK 220N15P,MCC 26-16IO1B,IXGK 55N120A3H1,DSA 1

选型指南 - LITTELFUSE - 2021/06/01 PDF 英文下载

阿基米德半导体（Archimedes）IGBT分立器件/功率模块选型指南

目录- 公司简介 TO247封装产品功率模块

型号- AMGO75B65FPH3RB,ADH040N12HT5,AMG006L12P2C3RB,ADG075N65CT5,AMG006L12P2C3RA,ADG040N65HT5,AMG225L12L1H3RB,ADH075N12MT7,AMG375L65L1S5RC,AMG150L70P2H3RA,AMG200L12L1H3RA,AMG200L12L1H3RB,AMG100L65P2H3RB,AMG225L65F2S5RC,AMG950H75H1H3RA,ADG100N12BT7,AMG100L65P2H3RA,AMG200H12S1M3RA,AMG080L12F1H3RA,ADG050N12AT7,AMG450L65P4S5RE,ADH075N65FT5,AMG450L65P4S5FC,AMG400L12P4H3RA,AMG400L12P4H3RB,AMG300H12S1M3RA,ADG075N70CT5,ADG060N65BT5,AMG450L65P4S5RD,AMG450L65P4S5RC,AMG150L12L1H3RA,ADG050N65CT5,AMG225L65P4S5RC,ADG075N65FT5,AMG300H12E1M3RA,AMG300L12P4H3RA,ADG150N65FT7,ADG075N65BT5,ADG050N65KT5,AMG820H75H1H3RA,ADG100N65FT7,AMG600H12E1M3RA,AMG450H12E1M3RB,AMG300L65F2S5RC,AMG300L65F2S5RA,AMG300L65F2S5RB,AMG600H75H1H3RA,ADG100N12MT7,AMG150L65P2H3RB,ADG075N12MT7,AMG150L65P2H3RA,AMG600H12E1M3RB,ADG040N12HT5,ADG050N12HT7,AMGO80L12F0H3RA,AMG080L12F0H3RB,AMG450L65F2S5RC,AMG450L65F2S5RB,ADG040N12AT5,ADS080N12GT8,AMG300L65P4S5RC,AMG600H12S1M3RA,AMG160L12F1H3RB,AMG160L12F1H3RA,AMG450H12E1L3RA,AMG900H12E1M3RA,AMG375L65P4S5RC,AMG600H12H1H3RA,ADS040N12GT8,AMG450H12S1M3RA,AMG160L12F2H3RB,AMG160L12F2H3RA

选型指南 - 阿基米德半导体 - 2023/8/31 PDF 中文下载

华太（Watech）成立于2010年3月16日，是集半导体器件与工艺开发、芯片设计、芯片封装、材料研发和制造为一体的高新科技企业，以射频芯片和功率芯片业务为主航道，是国际领先的射频功放器件和功率半导体器件供应商，聚焦万物互联和数字能源两大应用领域。

IGBT单管 SiC SBD 功率器件碳化硅单管 SIC MOS FS IGBT Hybrid IGBT SJ IGBT LVMOS单管 SGT MOS SGTMOS 功率模块 SIC 模块 IGBT 模块电源 IC LDO DC-DC 门极驱动

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【产品】CISSOID推出新型液冷或风冷功率模块，可满足航空航天及工业应用对自然对流或强制风冷需求

CISSOID 最近发布了专为降低开关损耗或提高功率密度而设计的新型液冷或风冷功率模块，扩展了其三相碳化硅 (SiC) MOSFET 智能功率模块 (IPM) 产品系列。基于用于液冷的轻型针翅基板，或者是基于平坦基板，可以满足航空航天领域及专用工业应用中对自然对流或强制风冷的需求。

新产品发布时间 : 2021-08-25

功率半导体的主要应用领域及其市场规模

功率半导体是各行各业的设备和系统中的重要组成部分，用于感知外界环境和信息传输。功率半导体被广泛应用于消费电子、工业电子、汽车电子、医疗电子及航空、照明等众多行业，并在智能制造、工业互联网、无人驾驶和智慧城市等细分领域发挥着关键作用。本文介绍功率半导体的主要应用领域及其市场规模。

行业资讯发布时间 : 2024-09-04

智能功率模块（IPM）与七单元（PIM）有什么不同？

七单元(PIM)是通常是指集成了整流和逆变单元的功率模块；IPM是指智能功率模块，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。

技术问答发布时间 : 2017-10-10

半导体功率循环测试设备提供精确的温度控制，具有自动化与远程监控功能，专为评估功率半导体器件稳定性和可靠性设计

半导体功率循环测试设备是一种专门设计用于评估功率半导体器件在反复功率循环条件下性能稳定性和可靠性的精密测试仪器。这类设备主要用于测试像IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、SiC(碳化硅)和GaN(氮化铩)等功率器件。

产品发布时间 : 2024-09-25

功率半导体器件产品选型手册

型号- CS9N50,CSM4435,CSM055N04,CSG40T120FUH,CSFP25R12FBF,CSG40T120FUK,CSM10N20,CSQG50T65FCK,CSS70R600,CS10N70,CSM12P03,CS11N40,CSFF150R12KB,CS4N80A,CSFS820R08PBFH,CSP08N10G,CS65200DBA,CSM22N10,CSM9435,CSP023N10,CS3N100E,CSM04N08,CSFS75R12CBF,CSP065N08GL,CSP12N10G,CSG3040-I,CS65070TAD,CSM04N06,CSM04N03,CSSD100D120R3QN,CSEF600R12MBF M3,CSG3040-A,CSM16N10,CSQG50T65FDL,CS10N65,CS10N60,CS65070DAD,CSP028N10,CS21867CA-DG,CSFF200R12RB,CSQM10P03,CSVM07N60,CSQM15N06L,CSG40T120FDH,CS03005,CS03006,CSFP40R12CMF,CS65070TBD,CSM30DN06L,CSP065N10GL,CSFS400R08HBFF,CSSS150D065R3ON,CSP012N08,CSFP40R12FBF,CSFF50R12RB,CSBM30N60BTB,CSM05N03,CSP042N10G,CSM40P10,CSG50T65FDL,CSG50T65FDK,CSFF75R12RB,CSP02N06,CSSS600D120R3MW,CSP02N08,CSS70R180,CS40N30,CSVMO3N60TN,CS65480TDA,CSP02N06L,CSFS400R08HBFM,CSFP50R07CBF,CSFS150R12DBF,CS40N25,CSM08N68,CSG10T65FUL,CSM40P04,CSSD050F120R3ON,CS2N60,CS5N135,CS10N80,CSS65R380,CS9N90,CSFP100R12DBF,CSFP75R12TBF,CSM03N03,CSS60R360,CSG15T65FUA,CS33N25,CSM08N10,CSFP75R12DBF,CSFF75R17RBF,CS2N50,CSFS950R08PBF,CS20N60,CS20N65,CSSV050D120R3ON,CS50N30,CSS60R380F,CSS60R150F,CSFF450R12KBF,CSM08N06,CSG15T65FUL,CS65030TBD,CSVM03N60,CS01006,CSSC600D120Z2MN,CSP12N10GL,CSFP150R12DBF,CS01002,CSC16N120,CS01001,CSSD100D170C6XN,CSP14N08L,CSP022N10,CSM8205B,CS80N20L,CSSS300D120Z2MW,CS6N40,CS65140DBA,CSFP50R12TBF,CSSS500D170C3MN,CSP045N10,CSFP25R12EBF,CSM8205E,CSSS380D170C3MN,CSP039N08,CSM024N03,CSM14N08,CSBM10N60BTB,CSM10P03,CSFP50R12DBF,CSP022N08,CS65030TAD,CS65140DAA,CS6N120,CSSS250D170C3MN,CSS70R420,CSS65R041F,CSS65R150F,CSP075N10G,CS10N40,CS15N50,CS4N65A,CSFS200R12DBF,CS65200DAA,CS19N40,CSFF200R12KBF,CSG20T65FDLA,CSSS200D120R3PN,CSM07N06,CS25N40,CSSS100D120R3ON,CSP014N10,CSM30N20,CSFF900R17MNF,CS7N60A,CSFP40R12CBF,CSM075N04,CSM075N03,CS3N150,CSSS100F120R3OW,CSFF300R17MBF,CSSS100F120R3PN,CSS60R036,CSFF900R12MNF,CSS60R150,CSFF150R12RB,CSP055N09G,CSQG3040-D.B,CSP055N10,CSM08P02,CSM15P04,CS90N25,CSP05N15,CSFS100R12DBF,CSS65R560,CS13N50,CSFS400R08HBF,CSFF1800R12BNF,CS20N50,CS6N70A,CSP05N08G,CSFF150R12KBF,CSSC600D120R3MN,CSM3401,CS25N65,CS25N60,CSFP25R12CBF,CSG40T65FUK,CSG40T65FUL,CSFF200R12KB,CSFP50R12FBF,CSFF600R17MBF,CS15N25,CS30N60,CSFF450R17MBF,CS60N25,CSS70R900,CSG40T65FDL,CSBM20N60BTB,CSM2303,CSF3L450R07XNF X1,CSI332HCG-DG,CSF3L450R07XNF X2,CSM2305,CSG40T65FDK,CSP04N10,CS4N90,CSM07N20,CSP026N08,CSP021N10,CS30N65,CSP032N08,CS25N50,CSSS250D170G3MN,CSFF100R12RB,CS40N30L,CSG20T65FULA,CSSS050F120R3OW,CSM4953,CS5N50,CS4N80,CSP10N20J,CS59N30,CSSD100F170C6XN,CS7N70,CSS60R520,CSFF400R12KBF,CSP024N10,CSM90N10L,CSC75N120,CSG75T65FUK,CSSS300D120R3MW,CSG75T65FDL,CSFF450R12MBF M4,CSSS300D170C3MN,CSBM15N60BTB,CS13N25,CSSD050D170C6XN,CS7N65B,CSSS900D120R3TW,CS7N65A,CS3N90E,CS12N50,CSG75T65FDK,CSFP40R12EBF,CSVM07N60TN,CS4N60A,CSFF300R17KBF,CSSD050F170C6XN,CSM12N08,CSM80P10,CS7N80,CS8N50,CS9N20,CS23N50,CS18N20,CSP04N08,CS4N150,CS65050TBD,CSFF100R17RBF,CSFS600R08PBF,CSFF600R12MBF M5,CSP075N10GL,CS80N20,CSFF600R12MBF M1,CSFS600R08HBF,CS30N50,CS4N65,CS8N100,CSFS50R17CNF,CSM80P04,CS4N60,CS3N90,CS65480DBA,CSM3407,CS8N60,CSFF300R12KBF,CSG60T65FUL,CS8N65,CSS65R165,CSP03N08,CS65050TAD,CS13N25L,CSSS600D120Z2MW,CSSD100D120Z2QN,CSG60T65FDK,CSSS1000D170C3XN,CSFS820R08PBF,CSG60T65FDL,CSM11N15,CS13N25R,CSM06N15,CS12N70,CSG30T65FDL,CSG30T65FDK,CSM06N10,CSM4407,CSFS660R08PBFF,CSFF300R12KB,CSM22N20,CSFA50R12CBF,CSP025N10,CSP20N10L,CSP065N08G,CSP038N10GL,CSM17N04,CSP036N08,CS4N80K,CS3N100,CSFP15R12WBF,CS12N65,CSP042N15J,CSP06N08G,CS13N30,CS30N30,CSM06N03,CS12N60,CS3N105,CSP03N10

选型指南 - 国科赛思 - 2024 版 - 2024/3/18 PDF 中文下载

中电国基南方亮相2024世界半导体大会，全面展示GaN射频功率器件、SiC电力电子器件和模块等产品

2024年6月5日-7日，2024世界半导体大会暨南京国际半导体博览会在南京隆重举办，中电国基南方、55所受邀参展。本次展会上，国基南方、55所围绕射频电子、功率电子、光电显示与探测重点产业板块，全面展示包括GaN射频功率器件、GaAs射频芯片、SOI射频开关、声表滤波器和晶体材料、SiC电力电子器件和模块、微显示OLED器件和AR光学模组、封装外壳等在内的最新技术产品

原厂动态发布时间 : 2024-06-14