裸铜基大功率IGBT器件的无铅烧结型界面及其服役可靠性研究

Nano-silver paste, highlighted by its excellent thermal and electrical conductivity as well as high melting point, is increasingly applied to high power IGBT device die attaching in recent years. As the chip-level interconnection material, the interfacial microcosmic behavior is usually considered as the critical factor in influencing long-term reliability of the devices. In this project, after aging in high temperature or thermal-electro-mechanics multi-physical fields coupled condition, the in-depth exploration on interfacial diffusion mechanism, element distribution and voids development in sintered nano-silver/bare copper diffusion couples will be conducted basing on microscopic observation. In addition, the effects of interfacial evolution on the mechanics integrality and thermal/electrical properties of the bare copper based sintered interface will be investigated by doing die shear test and transient thermal resistance/switching characters measurement. Accordingly, the interface evolution dependent failure criterion and life prediction model will also be proposed. Therefore, this project manifests its great significance on guiding reliability evaluation of bare copper based sintered interface in high power IGBT device packaging.

近年来，纳米银焊膏由于其优异的导电/导热特性和较高的熔点而被应用于高温功率IGBT器件的芯片粘接中。作为一级互联材料，其界面的微观行为往往是影响器件长期可靠性的关键因素。本项目以实现裸铜基无铅烧结型界面的长期可靠服役为目标，研究大功率IGBT器件服役过程中的界面失效机理及影响：通过对低温烧结纳米银/裸铜基材双层扩散偶高温时效界面的显微观察，获得界面扩散层的结构特点及生长动力学；通过对热、电、力多物理场耦合作用界面演化机理的研究，获得界面弱化或破坏对焊点力学完整性的影响；通过研究裸铜基无铅烧结型大功率IGBT模块的可靠性，建立考虑界面服役过程演化的失效判据和寿命预测模型。本项目的研究成果将为裸铜基无铅烧结型界面应用于大功率IGBT器件的长期可靠性评估提供重要的理论依据和参考。

在功率电子封装中，若要使裸铜基无铅烧结型粘接界面适用于大功率IGBT器件严苛的使用环境，首先需要对其进行长期可靠性评估，明确裸铜基烧结型界面在高温环境下的演化规律及机理，并且掌握界面演化行为对模块机械、热等性能的影响，但目前尚缺乏这方面的研究工作。本项目以大功率电子模块中的无铅烧结型界面的长期可靠服役为目标，实现低温烧结纳米银对功率电子芯片在裸铜基材表面的界面互连。针对裸铜基无铅烧结型界面，研究高温环境下界面处微观组织结构的演化规律及机理，探索多场耦合时界面弱化或损伤对大功率IGBT器件热、力学完整性及服役可靠性的影响，建立高温环境中纳米银/裸铜基材双层扩散偶的界面反应模型。本研究以试验为主，结合表面微观观测技术和理论分析，主要获得以下成果：（1）高温环境下裸铜基无铅烧结型界面微观组织结构演化研究：通过对纳米银/裸铜基材双层扩散偶在烧结及不同环境高温时效中界面的显微研究，获得界面扩散层实现互连的形成机理，和时效老化中界面层微观结构的演化规律；（2）裸铜基无铅烧结型大功率IGBT器件的服役可靠性研究：通过建立无铅烧结型大功率IGBT器件，并对其进行多场耦合时效试验，获得了器件界面弱化或损伤的作用机理及其对器件机械、热性能的影响规律；（3）裸铜基无铅烧结型界面损伤弱化机理研究：通过建立不同时效条件下（时效环境、温度和时间）纳米银/裸铜基材界面反应模型，研究多孔烧结银/铜双层扩散偶在时效中的扩散规律，并结合烧结银形貌变化规律，指导裸铜基低温烧结型界面在大功率IGBT器件封装领域应用中的长期可靠性评价。