燒結(jié)微米銀納米壓痕蠕變行為試驗及理論研究

納米/微米銀膏作為一種潛在的無鉛焊料，近年來被探索應(yīng)用于芯片的封裝中?；邋儗?、燒結(jié)溫度、銀漿中金屬顆粒粒徑、溶劑種類等均會影響封裝結(jié)構(gòu)的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。相同燒結(jié)溫度下，銀漿中銀顆粒的粒徑對燒結(jié)制備的封裝結(jié)構(gòu)可靠性至關(guān)重要。

西北工業(yè)大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)姚堯教授團(tuán)隊在相同條件下分別制備了粒徑為7.35 μm、5.81 μm 和2.90 μm 的3 種微米銀，對相同燒結(jié)條件下不同粒徑微米銀的宏觀和微觀力學(xué)性能開展研究。使用鉸接式拉伸和剪切試件測試了微米銀的剪切和拉伸強度，發(fā)現(xiàn)在300 ℃下燒結(jié)50 min 形成的節(jié)點拉伸強度和剪切強度隨著納米銀粒徑的增加逐漸降低。通過掃描電鏡得到的微觀結(jié)構(gòu)證實銀顆粒粒徑越小燒結(jié)效果越好，顆粒形貌見圖1～3。

在微觀層面，利用納米壓痕技術(shù)研究了3 種不同粒徑微米銀燒結(jié)試件的蠕變性能，結(jié)果見圖4～6。將納米壓痕加載至10 mN 后保載40 s，研究3 種加載速率下的蠕變位移。相同保載時間內(nèi)，隨著加載速率的增加，產(chǎn)生的蠕變位移增大，可以看出加載速率對蠕變位移的總量影響明顯。隨著保載時間的增加，3 種微米銀的蠕變速率呈指數(shù)級降低。在保載階段初期，加載速率越小蠕變的應(yīng)變率越大，在此階段加載速率對蠕變應(yīng)變率的影響較大。隨著保載時間的進(jìn)一步增加，蠕變應(yīng)變率趨于穩(wěn)定并且加載速率帶來的影響逐漸消失，結(jié)果見圖6。

針對目前缺乏微觀蠕變預(yù)測模型的問題，本工作基于玻爾茲曼概率熵理論和連續(xù)損傷力學(xué)，結(jié)合Kachanov 損傷蠕變模型，提出了一種基于熵的蠕變預(yù)測模型，見公式（1）。通過提出的理論對納米壓痕得到的蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)本工作提出的蠕變理論能較好地預(yù)測微觀蠕變，為微觀蠕變預(yù)測提供了一種新的可供選擇的思路。

研究團(tuán)隊針對極端工作條件下高功率芯片先進(jìn)封裝可靠性開展研究，從試驗和理論多方面繼續(xù)推動新一代電子封裝技術(shù)的發(fā)展。此外，團(tuán)隊還致力于3D打印柔性電子領(lǐng)域的相關(guān)研究，助力解決我國自主知識產(chǎn)權(quán)芯片“卡脖子”問題。(宮賀 陳相臣 姚堯)