基于新一代高温功率芯片封装的Ni-Sn TLPS连接特性与动力学研究
批准号:
51474026
项目类别:
面上项目
资助金额:
86.0 万元
负责人:
黄继华
依托单位:
学科分类:
材料冶金加工
结题年份:
2018
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵兴科、陈树海、冯洪亮、孙轩、杨莉、翟晓东
中文摘要
研究内容和意义:瞬时液相烧结(TLPS)连接是近年来电子封装领域发展起来的一种新的连接技术,具有连接压力小、连接温度低、接头耐温高、适应性好等特点。本项目拟针对新一代高温功率芯片封装"低温连接/高温服役" 的需求,以Ni-Sn为反应系进行TLPS连接,开展Ni-Sn TLPS连接的相关基础研究。包括"Ni-Sn TLPS连接特性"--连接界面结构特征、界面反应及连接性能等和"Ni-Sn TLPS连接过程动力学"--连接层等温凝固/化合物转变动力学表征、动力学模型及动力学方程等。项目研究成果对探索新一代高温功率芯片封装高性能连接技术(材料及工艺)具有重要意义。 特色与创新:Ni-Sn TLPS连接具有液相量大、连接特性好、耐温高等特点,国内外尚未见研究报道;项目拟建立的连接层等温凝固/化合物转变同心球动力学模型和相关动力学表征/分析方法对同领域研究具有普遍意义。
英文摘要
As a new technique developed in recent years, transient liquid phase sintering bonding (TLPS Bonding) exhibits a number of advantages, such as low bonding pressure and temperature, excellent resistance to high temperature, strong adaptability and so on. Furthermore, Ni-Sn TLPS bonding using Ni-Sn as reactive filler material possesses more liquid phase, better bonding characteristics and resistance to high temperature. In accordance with the demands of high-temperature power device packaging, this project aims to carry out the relative basic research on Ni-Sn TLPS bonding with Ni-Sn system as reactive filler material. Two basic problems will be investigated: one is the TLPS bonding characteristics including the bonding interface structure, interfacial reaction and bonding properties, the other is the bonding process kinetics, such as the characterization of compound transition during isothermal solidification, the kinetic model and its equation. The study of this project would be significant for exploring high performance bonding technology (materials and processes) of high-temperature power device packaging.
高密度、高功率、多功能化是现代电子产品的发展方向。新一代半导体可在500℃甚至更高的温度条件下保持良好的转换特性和工作能力,在航空航天、汽车、石油钻井等领域具有重要的应用价值。但是,半导体器件的最高允许工作温度不仅取决于半导体材料的性质,还受限于封装材料和技术,因此,新一代半导体器件芯片与基板之间的耐高温连接技术和可靠性问题亟待解决。.本项目以Ni-Sn为反应系开展Cu/Ni-Sn/Cu和Ni/Ni-Sn/Ni TLPS连接研究:系统研究了连接界面结构特征、界面反应、连接性能、连接层组织结构演变和连接过程动力学规律,建立了连接过程动力学模型及动力学方程。通过研究获得了如下重要研究成果(结果): .(1)提出并成功实现了“低温连接/高温服役”的Ni-Sn TLPS连接方法(工艺)。采用含有70% Ni粉和30% Sn粉(质量分数)的混合粉末作为TLPS连接材料,在300℃下施加0.1MPa的压力即可实现连接。等温完成后,连接层初始液化温度高达800℃,接头在500℃下时效100h后强度基本不变。.(2)系统地研究了Ni-Sn TLPS连接层组织结构演变行为和机理,建立了连接层孔隙率演变的物理模型。研究表明,在300℃和340℃下分别等温240min和180min,连接层中的Sn完全转变为Ni3Sn4(Cu/Ni-Sn/Cu体系为三种Cu-Ni-Sn化合物);连接过程中,连接层在一定时间内存在孔隙率反常增加的现象。.(3)提出了一种Ni-Sn TLPS连接动力学的定量表征和实验研究方法,建立了Ni3Sn4生长动力学模型及动力学方程。利用Sn的熔化焓定量表征Sn的残留率,获得了实际连接层和物理模拟中Ni3Sn4层的生长规律;通过建立Ni3Sn4生长同心球动力学模型,导出了Ni3Sn4生长的动力学方程,理论预测结果与物理模拟及实际连接层Ni3Sn4生长规律吻合良好。.本项目提出的Ni-Sn TLPS连接方法(工艺)在新一代高温功率芯片的封装中具有重要应用价值。针对Ni/Ni-Sn/Ni TLPS连接提出的动力学表征和实验研究方法及Ni3Sn4生长动力学模型对TLPS连接研究具有普遍意义,所获得的动力学方程可以为新一代高温功率芯片TLPS封装连接材料和工艺设计提供理论依据。
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A study of Ni3Sn4 growth dynamics in Ni-Sn TLPS bonding process by differential scanning calorimetry
差示扫描量热法研究 Ni-Sn TLPS 键合过程中 Ni3Sn4 生长动力学
DOI:
10.1016/j.tca.2018.03.006
发表时间:
2018-05
期刊:
Thermochimica Acta
影响因子:
3.5
作者:
[Feng Hongliang, Huang Jihua, Peng Xianwen, Lv Zhiwei, Wang Yue, Yang Jian, Chen Shuhai, Zhao Xingke]
通讯作者:
Zhao Xingke
First-principles calculations on physical properties of Ni3Snx binary system intermetallic compounds and Ni/Ni3Sn interfaces in Nickel-Tin TLPS bonding layer
Ni3Snx二元系金属间化合物及镍锡TLPS键合层Ni/Ni3Sn界面物理性质的第一性原理计算
DOI:
--
发表时间:
2018
期刊:
Intermetallics
影响因子:
4.4
作者:
[Yue Wang, Jian Yang, Jihua Huang, Wanli Wang, Zheng Ye, Shuhai Chen, Yue Zhao]
通讯作者:
Yue Zhao
A Transient Liquid Phase Sintering Bonding Process Using Nickel-Tin Mixed Powder for the New Generation of High-Temperature Power Devices
用于新一代高温功率器件的镍锡混合粉末瞬态液相烧结键合工艺
DOI:
10.1007/s11664-017-5357-4
发表时间:
2017-02
期刊:
JOURNAL OF ELECTRONIC MATERIALS
影响因子:
2.1
作者:
[Feng Hongliang, Huang Jihua, Yang Jian, Zhou Shaokun, Zhang Rong, Chen Shuhai]
通讯作者:
Chen Shuhai
Investigation of microstructural evolution and electrical properties for Ni-Sn transient liquid-phase sintering bonding
Ni-Sn 瞬态液相烧结接合的微观结构演变和电性能研究
DOI:
10.1007/s13391-017-6317-0
发表时间:
2017-11
期刊:
ELECTRONIC MATERIALS LETTERS
影响因子:
2.4
作者:
[Feng Hong-Liang, Huang Ji-Hua, Yang Jian, Zhou Shao-Kun, Zhang Rong, Wang Yue, Chen Shu-Hai]
通讯作者:
Chen Shu-Hai
Microstructural Evolution of Ni-Sn Transient Liquid Phase Sintering Bond during High-Temperature Aging
Ni-Sn瞬态液相烧结键高温时效过程中的微观结构演变
DOI:
10.1007/s11664-018-6336-0
发表时间:
2018-05
期刊:
Journal of Electronic Materials
影响因子:
2.1
作者:
[Feng Hongliang, Huang Jihua, Peng Xianwen, Lv Zhiwei, Wang Yue, Yang Jian, Chen Shuhai, Zhao Xingke]
通讯作者:
Zhao Xingke
共 6 条
无母材取向差效应的单晶高温合金等/近成分部分瞬时液相扩散连接机理与动力学
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批准号:52374377
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项目类别:面上项目
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:黄继华
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依托单位:
基于多机制复合效应的Cf/SiC复合材料与GH3044高温合金连接基础研究
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批准号:51875038
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2018
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负责人:黄继华
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依托单位:
Cf/SiC复合材料与钛合金复合扩散钎焊动力学与界面反应研究
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批准号:51175037
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2011
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负责人:黄继华
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依托单位:
Sn基无Pb合金/Cu界面热-剪切循环组织演变与损伤
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批准号:50371010
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项目类别:面上项目
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资助金额:29.0万元
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批准年份:2003
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负责人:黄继华
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依托单位:
SiCp/Al复合材料Al-Si(SiCp)反应-复合扩散焊接研究
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批准号:50175004
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项目类别:面上项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2001
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负责人:黄继华
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依托单位:
W-Ni-Fe三元系中β相时效沉淀行为及机理
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批准号:59971007
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项目类别:面上项目
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资助金额:16.0万元
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批准年份:1999
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负责人:黄继华
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依托单位:
钨合金性能数学力学模型及软硬相间的力学和热力学匹配
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批准号:59471036
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项目类别:面上项目
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资助金额:10.5万元
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批准年份:1994
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负责人:黄继华
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依托单位:
国内基金
海外基金