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烧结铜模粘结材料可靠性评定

使用micred power tester和flotherm进行无压粘合

作者Chie Sugama,日立化工有限公司有限公司,日本

日立化工是日立有限公司的集团公司之一,我们拥有约19家。000名员工,年收入约50亿美元/年。我们大约50%的业务是材料制造,50%的业务是将这些材料应用于各种设备和系统,包括在汽车上的应用,生命科学,环境和能源部门。我们生产的材料产品包括半导体用环氧模制品,压模粘合材料,半导体电路抛光材料,电气绝缘用清漆,以及锂离子电池和其他碳制品的碳阳极。

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最近,我们开发了创新的铜基烧结模具粘合材料(见图1),作为汽车电动汽车/混合动力电动汽车(EV/HEV)功率模块的粘合剂,具有优异的热性能和粘合性能。金属烧结粘合材料为电力设备提供了巨大的好处,目前市场上有各种由银和铜制成的粘合产品,因为它们支持高散热率和高耐热性(见表1)。铜大约是银价的三分之一,因为我们发现,当置于含约90%wt%铜的溶剂中时,可以制备出一种具有良好微观结构性能、成本效益高的浆料。至关重要的是,铜膏可以无压力粘合,具有所有的制造优势,即显著减少芯片破裂和损坏。

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因此,我们想要评估我们产品的热寿命性能,所以我们选择了Mentor的Micred功率测试仪和Flotherm CFD软件(图2)进行测试。金宝愽备用网址我们选择了Mentor的1500A电源测试仪,因为它允许我们在各种电源循环场景中测试铜膏,以进行破坏。功率测试仪基于Mentor的t3ster技术,具有“结构功能”,允许通过被测设备进行瞬态热路径测量,从而显示出非破坏性部件性能。最后,我们想证明烧结铜作为SiC功率器件的压模粘合材料的长期可靠性(功率循环寿命和破坏机制)。这些铜膏能够承受相对较高的200°C温度,具有良好的机械性能,如弹性,抗弯强度,弯曲应变,以及0.2%的验证应力。它们还具有良好的抗剪切力。

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我们设计了一个测试,通过该测试,我们选择了SiC肖特基势垒二极管t0-247(图3)封装(带铝线),并使用了烧结铜和传统的铅焊料键合(图4)。我们把铜膏倒进我们自己的模具中,用于测试SBD。功率测试仪中被测设备的结温,Tj max根据预先制备的样品的温度特性研究结果计算(使用JESD 51-1)。

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测量电流为10 mA,测量温度范围为20-120℃。我们对40多个样本进行了功率循环测试,000 3 s打开和7 s关闭电源循环。如果是烧结铜键,施加比铅焊料高6至9 W的功率,因为结温的上升受到了更多的抑制,我们发现其性能良好,达到175°C(图5)。我们的测试与Lutz等人的测试类似。[1]在电源循环中,由于电线脱离,电压升高。他们的试验是在恒定功率下进行的,以抑制电压升高时导线上的负荷。在150瓦的烧结铜和96瓦的铅焊料测试中,通电时的电压升高,导致我们调整到恒定功率。我们得出的结论是,与铅焊料相比,即使对其施加更大的功率,烧结铜也具有更高的功率循环寿命(图5)。

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我们还进行了一些温度循环试验(图6),以检查模具树脂是否从引线框架上脱落。为了与其他两种商用产品进行比较,我们也使用了铅粘合材料。因此,粘合材料相同,但粘合剂不同。如图6下半部分所示,在功率循环试验中确认了烧结铜和铅焊料的粘附力保持。

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我们从已发表的文献[2]中了解到,功率测试仪的一大优势是其结构功能诊断,使我们能够无损地评估被测设备的结构,以确定热问题的起因和造成的损坏程度。特别地,在我们的测试中,我们使用“差分结构函数”来评估被测设备的热导率变化,然后将其用作我们Flotherm CFD模拟的输入。Elleffendi等人[3]最近经验性地证明K功率测试仪的差分结构函数值和每个芯片的粘合层接口区域。因此,我们决定从我们的测试中获取t3ster数据,并将其连接到我们为被测设备创建的Flotherm CFD模型(图7)。

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在我们的测试中,加热电流为20安,持续30秒,芯片的发热面积为3.8×3.8×0.004 mm3,我们希望使用flotherm更好地识别芯片和粘合层之间的界面。图8显示了在测试中的该模型中的Flotherm模拟,其中判断芯片和粘合层(橙色箭头)之间的界面处的热阻约为0.03 k/w。该图还比较了粘合材料从小值到大值的热导率。因此,从这个比较中,我们可以理解,从结构函数中,键合材料从哪里开始。

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对于我们检测的两个粘合样品,烧结铜和铅焊料,我们在试验前后(图9和图10)使用了详细的Sam和SEM测量,并根据结合的t3ster结构函数和Flotherm模拟方法推断出,在铜烧结的情况下,芯片的结合区域收缩,而铅焊料对结合层有明显的损伤。

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结论

日立化工公司开发了一种强度为30兆帕的无压烧结铜模粘合膏,并对其应用于电动汽车/混合动力汽车的电力电子设备的长期可靠性进行了评估。我们已经证明,即使在更大的功率下,烧结铜对铅焊料也具有优越的功率循环寿命。我们使用了Micred功率测试仪和Flotherm CFD软件,现在可以更好地了解我们的高精度电子粘合膏。金宝愽备用网址特别地,我们可以看到他们失败的原因,如键合层损坏或芯片结合区改变,从而寻求提高他们绩效的方法。这是我们的竞争优势,因为我们可以测试竞争对手的产品以及我们自己的产品。这种验证方法应该使我们能够开发出低温烘烤的新材料。Micred功率测试仪允许我们并行循环12个样本,因此是一个强大的研发工具。

参考文献:

  • 〔1〕Lutz,J.SchlangenottoH.Scheuermann美国,De DonckerR.:半导体功率器件(斯普林格,2011)P.39
  • 〔2〕SZ E.凯利,五:《微电子杂志》28(1997)277-292
  • 【3】麻省理工学院,杨L.,AgyakwaP.约翰逊C.M.:微电子可靠性59(2016)73–83
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