【摘要】：智能電網(wǎng)用壓接式絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊主要通過(guò)壓力接觸實(shí)現(xiàn)熱耗散。然而隨著電力電子設(shè)備功率等級(jí)逐年提高,壓接IGBT承受的電流電壓也越來(lái)越高,導(dǎo)致芯片發(fā)熱量很大以及模塊內(nèi)部由于熱膨脹系數(shù)不匹配帶來(lái)的壓力及溫度分布不均勻的問題更加突出,這些問題嚴(yán)重削弱了模塊的可靠性。為了克服壓接式IGBT模塊封裝散熱的問題,本文提出了采用納米銀焊膏作為熱界面材料制備燒結(jié)式IGBT芯片連接試樣代替壓接模塊中的機(jī)械觸點(diǎn)以提高模塊的長(zhǎng)期可靠性。為了區(qū)別壓接式IGBT模塊,本文命名該模塊為燒結(jié)式IGBT模塊。本文重點(diǎn)研究了不同燒結(jié)輔助壓力下制備的單面燒結(jié)芯片連接試樣,并將該單面燒結(jié)芯片連接試樣應(yīng)用于壓接式IGBT模塊,以驗(yàn)證該模塊的可行性。此外,在單面燒結(jié)芯片連接試樣的基礎(chǔ)上,還對(duì)雙面燒結(jié)芯片連接試樣的制備和性能表征進(jìn)行了探索。首先,對(duì)納米銀焊膏的低溫?zé)Y(jié)工藝進(jìn)行了探索,最終確定了采用印刷雙層焊膏并加壓燒結(jié)的方法實(shí)現(xiàn)大面積芯片的無(wú)空洞連接。為了獲得最佳的燒結(jié)輔助壓力,將燒結(jié)輔助壓力作為研究對(duì)象,表征了1,3,5,10 MPa下獲得的燒結(jié)銀接頭的機(jī)械性能、熱性能、電性能和可靠性。得出隨著燒結(jié)輔助壓力的升高,燒結(jié)銀接頭的剪切強(qiáng)度增加,孔隙率減小,熱阻降低,可靠性提高,并從微觀分析了燒結(jié)輔助壓力對(duì)提高燒結(jié)銀接頭連接質(zhì)量的作用機(jī)理。其次,考慮到燒結(jié)輔助壓力太低,不容易獲得穩(wěn)定、強(qiáng)健的燒結(jié)銀接頭;燒結(jié)輔助壓力太高反而會(huì)使芯片內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋從而損壞芯片。因此,最終選用了3 MPa作為最佳的燒結(jié)輔助壓力,并制備了燒結(jié)式IGBT模塊。通過(guò)對(duì)比兩種IGBT模塊的熱阻,得出燒結(jié)式IGBT模塊的熱阻比壓接式IGBT模塊的熱阻降低了15.8%,且二者具有一致的電性能,說(shuō)明了燒結(jié)式IGBT模塊的封裝散熱形式具有良好的可行性。為實(shí)現(xiàn)芯片的雙面燒結(jié)連接,以工作氣壓作為變量,通過(guò)測(cè)量鍍膜厚度實(shí)現(xiàn)了芯片上表面磁控濺射鍍銀金屬化的工藝,并得出0.8Pa為最佳的鍍膜氣壓。然后設(shè)計(jì)了一次燒結(jié)和二次燒結(jié)的雙面燒結(jié)芯片連接工藝,通過(guò)無(wú)損檢測(cè)和剪切強(qiáng)度測(cè)試確定了二次燒結(jié)為可行工藝。對(duì)該工藝下的燒結(jié)銀接頭進(jìn)行了熱阻和靜態(tài)性能測(cè)試,得出雙面燒結(jié)芯片連接試樣的熱阻為單面燒結(jié)芯片連接試樣熱阻的1/4并且具有良好的靜態(tài)電性能。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN322.8;TB383.1
【圖文】：

研制的焊膏將魚油作為分散劑、α-松油醇作為粘結(jié)劑、丙酮等作為稀釋劑并通過(guò)調(diào)整有機(jī)物的含量使焊膏中銀粒子的含量為 88%左右。該焊膏中納米銀粒子分別呈球狀和片狀，如圖1-2所示。球狀納米銀顆粒在較低的溫度下就可以發(fā)生頸連，有助于增加燒結(jié)速率，而銀片的存在則可以提高連接強(qiáng)度并能減小缺陷的發(fā)生。而且，粒徑分布寬泛的粉體燒結(jié)可以增加堆積密度，降低燒結(jié)體的收縮率[11]。為了研究納米銀漿中不同粒徑對(duì)燒結(jié)接頭性能不同的作用效果，Kielbasinski 等[12]

動(dòng)力來(lái)自系統(tǒng)的表面能。銀顆粒的尺寸越小，其吉布斯自由能降低的推動(dòng)下，系統(tǒng)的表面能降低焊膏發(fā)生收縮，體積減小，最終實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)將燒結(jié)分為兩大類：加壓燒結(jié)和無(wú)壓燒結(jié)。因此加的輔助壓力。施加輔助燒結(jié)壓力可以降低燒結(jié)化燒結(jié)過(guò)程，提高銀接頭致密度，提高連接質(zhì)量等靜壓等。度是否有貢獻(xiàn)的角度講，納米銀焊膏的燒結(jié)過(guò)致密化過(guò)程。低溫下主要發(fā)生的是非致密化擴(kuò)粒子表面的銀原子向銀粒子的接觸面處擴(kuò)散聚在這個(gè)階段，銀粒子間的距離并未發(fā)生變化，也非致密化過(guò)程。隨著燒結(jié)溫度的升高，擴(kuò)散所擴(kuò)散開始占主導(dǎo)作用，接觸顆粒的中心距離逐開始收縮，體積減小，該過(guò)程發(fā)生的為致密化

第 1 章 緒論接式 IGBT 模塊采用引線鍵合主導(dǎo)的芯片互連工藝為核心，典型的 1-4 所示，包括 IGBT 芯片和快速恢復(fù)二極管，直接覆銅（Direct er，DBC）陶瓷基板，焊料層，鍵合引線，散熱銅底板，灌封材料， IGBT芯片和續(xù)流二極管芯片通過(guò)回流焊等互連方法連接到DBC基線鍵合的方法將芯片的電極引出到 DBC 的焊盤上，之后將粘有基板焊接到散熱銅底板上，最后安裝管殼并填充灌封膠[35]。

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本文編號(hào)：2773136