分享自:

Ag/金刚石复合烧结浆料的开发及其在SiC功率模块中的热冲击可靠性评估

期刊:journal of materials research and technologyDOI:10.1016/j.jmrt.2023.07.254

高导热Ag/金刚石复合烧结浆料的开发及其在SiC功率模块中的热冲击可靠性评估

作者及机构
本研究由Yuxin Xu(吉林大学材料科学与工程学院)、Xiaoming Qiu(吉林大学)、Wangyun Li(大阪大学产业科学研究所)、Suyu Wang(吉林大学/大阪大学接合科学研究所)、Ninshu Ma(大阪大学接合科学研究所)、Minoru Ueshima(Daicel株式会社)、Chuantong Chen(大阪大学,通讯作者)及Katsuaki Suganuma(大阪大学)合作完成,发表于Journal of Materials Research and Technology 2023年9-10月刊(卷26,页1079-1093)。


学术背景

研究领域与动机
本研究属于电子封装材料领域,聚焦宽禁带半导体(WBG,如SiC和GaN)功率模块的互连材料开发。传统Sn基或Zn基焊料在高温(>250°C)下性能退化,而Ag纳米颗粒烧结技术虽具潜力,但其热导率(171.4 W/(m·K))和热膨胀系数(CTE)匹配性仍需优化。金刚石因其超高热导率(2200 W/(m·K))和低CTE,成为理想填料,但金属/金刚石复合材料的界面结合差、制备工艺复杂(如热压、等离子烧结)限制了应用。本研究旨在开发一种低温无压烧结的Ag/金刚石复合浆料,提升热导率并评估其在极端热冲击下的可靠性。

科学问题与目标
1. 如何通过金刚石掺杂优化Ag烧结层的热导率和CTE?
2. 复合浆料在SiC/DBC(直接键合铜基板)结构中的界面演化与断裂行为机制;
3. 热冲击条件下微观结构退化与性能衰减的关联性。


研究流程与方法

1. 复合浆料制备
- 材料:商用Ag微米片(AgC-239)、纳米金刚石颗粒(Lot. R06403)、有机溶剂(Celtol-IA)。
- 工艺:Ag与金刚石(2 wt%、5 wt%)经酒精超声分散后干燥,与溶剂以10:1.5比例混合,通过混合器(2000 rpm,10分钟)调制成浆料(粘度200-300 cps)。
- 表征:SEM显示金刚石均匀分散于Ag片孔隙中(图1)。

2. 烧结与器件封装
- 基板与芯片:SiC芯片(3×3×0.4 mm³,预镀Ti/Ag层)与DBC基板(Cu/Si₃N₄/Cu,30×30×1.23 mm³,预镀e-ENPA多层金属化)。
- 烧结参数:浆料印刷(厚度100 μm),300°C/60分钟无压烧结(升温速率30°C/min)。

3. 性能测试与可靠性评估
- 热物性测试:激光闪射法(LFA 467)测热导率,热机械分析仪(TMA-60)测CTE。
- 热冲击测试(TST):-50°C至250°C循环(30分钟驻留),最多1000次循环。
- 力学与微观分析:剪切强度测试(Dage4000),SEM/EDS观察界面,X射线CT(XVA-160n)无损检测。

创新方法
- 界面强化:TEM显示Ag/金刚石界面存在原子级扩散(图4),FFT分析证实无反应相但形成强化学键。
- 自研浆料:通过溶剂调控实现金刚石在Ag多孔结构中的均匀分散(图5)。


主要结果

1. 热物性提升
- 热导率:Ag@2%金刚石浆料达288 W/(m·K)(较纯Ag提升68.3%),过量金刚石(5%)因孔隙增加导致热导率下降至141.3 W/(m·K)(图3)。
- CTE调控:250°C时,Ag@2%金刚石的CTE为11.5×10⁻⁶ K⁻¹(纯Ag为17.6×10⁻⁶ K⁻¹),更匹配SiC芯片(4.5×10⁻⁶ K⁻¹)。

2. 烧结结构与界面可靠性
- 微观结构:Ag@2%金刚石烧结层孔隙率7.79%(纯Ag为8.21%),金刚石体积占比5.78%(图7)。
- 界面结合:EDS证实Ag与金刚石无界面剥离,烧结层与DBC基板形成冶金结合(图7f)。

3. 热冲击性能
- 强度衰减:Ag@2%金刚石初始剪切强度67.5 MPa,1000次循环后保留13.5%(纯Ag仅10%)(图11)。
- 失效机制:纯Ag因Ag原子迁移导致基板翘曲和界面分层(图15a);金刚石抑制Ag迁移,裂纹局限于烧结层内部(图15f)。


结论与价值

科学价值
1. 揭示了金刚石掺杂对Ag烧结层热导率与CTE的协同调控机制;
2. 提出界面扩散主导的Ag/金刚石强键合模型,为高导热复合材料设计提供理论依据。

应用价值
Ag@2%金刚石浆料适用于高温SiC功率模块,其低CTE和高热导率可缓解热应力,延长器件寿命。


研究亮点

  1. 工艺创新:低温无压烧结实现高导热Ag/金刚石复合,突破传统高压工艺限制;
  2. 界面工程:通过原子级表征阐明无反应相界面的强键合机制;
  3. 可靠性验证:极端热冲击测试(-50-250°C)为实际应用提供数据支撑。

其他发现
- 过量金刚石(5%)导致颗粒团聚,引发界面脱粘(图8k-n);
- Ag晶粒粗化是热冲击后性能衰减的主因,金刚石可抑制此现象(图16e1)。


(全文约1500字)

上述解读依据用户上传的学术文献,如有不准确或可能侵权之处请联系本站站长:admin@fmread.com