高功率芯片封装材料烧结纳米银的尺寸效应

以SiC、GaN 等新材料制备的宽禁带半导体功率器件具有耐高温、高频等优异性能，将逐步取代低效的Si 半导体材料。随着宽禁带半导体电子元器件在航空、航天以及新能源汽车等领域的应用，功率芯片高密度、高功率的发展趋势将导致新一代电子封装材料面临大电流、高温服役的极端环境，这对电子器件的寿命以及封装材料提出了新的挑战。目前，SnAg、SnAgCu 等无铅焊料熔点低，无法匹配新一代宽禁带半导体功率器件的工作环境温度。烧结纳米银焊点以其优异的导电、导热性和高温服役性能逐渐引起行业内越来越多的关注，被视为新一代高功率芯片高温封装材料的有力候选者。

西北工业大学、西安建筑科技大学姚尧教授团队综合考虑了芯片、基板以及封装工艺等因素，对不同烧结温度下、不同搭接面积的烧结纳米银节点的拉伸和剪切尺寸效应开展试验和理论研究。根据热重分析结果，烧结温度分别取为200 ℃、250 ℃、300 ℃，烧结纳米银试件的搭接尺寸分别取为0.5 mm×5 mm，1 mm×5 mm，2 mm×5 mm，3 mm×5 mm。研究证实了纳米银浆内部溶剂的蒸发和燃烧状态是孔隙率多样性的主要原因（见图1），孔隙率的差异是造成节点尺寸效应和试验数据离散的关键因素。为解决离散性对烧结纳米银可靠性预测造成的困扰，结合韦伯分布分别研究了4 种常用估计量计算的纳米银节点的拉伸和剪切失效概率（见图2），对比不同组合对烧结纳米银节点失效强度的统计预测效果，并确定最佳估计量，在一定程度上解决了烧结纳米银离散性预测问题。此外，针对烧结纳米银节点在拉伸和剪切工况下表现出的尺寸效应现象，通过研究烧结纳米银节点的微观结构，证实节点内部孔洞对烧结纳米银封装结构尺寸效应的影响，并确定了孔隙率与节点尺寸的对应关系。在GTN 模型的基础上，推导了临界断裂孔隙率计算公式，从理论角度实现了对不同尺寸的烧结纳米银封装结构内部孔隙率的预测，并通过试验验证了公式的正确性。为解决烧结纳米银拉伸和剪切强度尺寸效应的理论预测问题，将断裂临界孔隙率与统计模型结合，建立依赖孔隙率的烧结纳米银拉伸和剪切强度尺寸效应预测模型，并通过试验数据进行验证（见图3），为烧结纳米银封装尺寸效应的预测提供了理论支撑。

研究团队针对极端工作条件下高功率芯片先进封装可靠性的研究，将从试验和理论多方面继续推动新一代电子封装的革新。此外，团队还致力于3D 打印柔性电子领域相关研究，助力解决我国自主知识产权芯片“卡脖子”问题。

原始文献：

GONG H, YAO Y, YANG Y T. Size effect on the fracture of sintered porous nano-silver joints: Experiments and Weibull analysis[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 863:158611.