以SiC、GaN 等新材料制備的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件具有耐高溫、高頻等優(yōu)異性能，將逐步取代低效的Si 半導(dǎo)體材料。隨著寬禁帶半導(dǎo)體電子元器件在航空、航天以及新能源汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用，功率芯片高密度、高功率的發(fā)展趨勢(shì)將導(dǎo)致新一代電子封裝材料面臨大電流、高溫服役的極端環(huán)境，這對(duì)電子器件的壽命以及封裝材料提出了新的挑戰(zhàn)。目前，SnAg、SnAgCu 等無鉛焊料熔點(diǎn)低，無法匹配新一代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的工作環(huán)境溫度。燒結(jié)納米銀焊點(diǎn)以其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和高溫服役性能逐漸引起行業(yè)內(nèi)越來越多的關(guān)注，被視為新一代高功率芯片高溫封裝材料的有力候選者。

西北工業(yè)大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)姚堯教授團(tuán)隊(duì)綜合考慮了芯片、基板以及封裝工藝等因素，對(duì)不同燒結(jié)溫度下、不同搭接面積的燒結(jié)納米銀節(jié)點(diǎn)的拉伸和剪切尺寸效應(yīng)開展試驗(yàn)和理論研究。根據(jù)熱重分析結(jié)果，燒結(jié)溫度分別取為200 ℃、250 ℃、300 ℃，燒結(jié)納米銀試件的搭接尺寸分別取為0.5 mm×5 mm，1 mm×5 mm，2 mm×5 mm，3 mm×5 mm。研究證實(shí)了納米銀漿內(nèi)部溶劑的蒸發(fā)和燃燒狀態(tài)是孔隙率多樣性的主要原因（見圖1），孔隙率的差異是造成節(jié)點(diǎn)尺寸效應(yīng)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散的關(guān)鍵因素。為解決離散性對(duì)燒結(jié)納米銀可靠性預(yù)測(cè)造成的困擾，結(jié)合韋伯分布分別研究了4 種常用估計(jì)量計(jì)算的納米銀節(jié)點(diǎn)的拉伸和剪切失效概率（見圖2），對(duì)比不同組合對(duì)燒結(jié)納米銀節(jié)點(diǎn)失效強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)效果，并確定最佳估計(jì)量，在一定程度上解決了燒結(jié)納米銀離散性預(yù)測(cè)問題。此外，針對(duì)燒結(jié)納米銀節(jié)點(diǎn)在拉伸和剪切工況下表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，通過研究燒結(jié)納米銀節(jié)點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)，證實(shí)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部孔洞對(duì)燒結(jié)納米銀封裝結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)的影響，并確定了孔隙率與節(jié)點(diǎn)尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在GTN 模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了臨界斷裂孔隙率計(jì)算公式，從理論角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同尺寸的燒結(jié)納米銀封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙率的預(yù)測(cè)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了公式的正確性。為解決燒結(jié)納米銀拉伸和剪切強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的理論預(yù)測(cè)問題，將斷裂臨界孔隙率與統(tǒng)計(jì)模型結(jié)合，建立依賴孔隙率的燒結(jié)納米銀拉伸和剪切強(qiáng)度尺寸效應(yīng)預(yù)測(cè)模型，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證（見圖3），為燒結(jié)納米銀封裝尺寸效應(yīng)的預(yù)測(cè)提供了理論支撐。

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)極端工作條件下高功率芯片先進(jìn)封裝可靠性的研究，將從試驗(yàn)和理論多方面繼續(xù)推動(dòng)新一代電子封裝的革新。此外，團(tuán)隊(duì)還致力于3D 打印柔性電子領(lǐng)域相關(guān)研究，助力解決我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)芯片“卡脖子”問題。

原始文獻(xiàn)：

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.