纳米银焊膏低温烧结在IGBT模块制造中的应用

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随着电子电力技术的不断发展,IGBT已经成为许多设备中的核心部件,在很多领域都有着重要的影响。现在器件都在向大功率发展,IGBT模块也应运而生,成为市场上占主导地位的产品。传统的IGBT模块是通过钎焊的方法制造,即使焊膏或预成型钎料薄膜,通过回流焊工艺,熔化并固化成钎料合金,来连接功率模块中的芯片和基板。这种方法制造的模块存在寿命短、散热差的缺点,并且由于钎料熔点的较低,模块中芯片的结点温度被限制在150℃以下。而新出现的纳米银焊膏烧结工艺所形成的连接有着良好性能,它通过将银颗粒的尺寸减小到纳米级,实现焊膏的低温低压烧结。在前人的研究之中,已经成功的将纳米银焊膏的低温烧结工艺应用在了单个大面积芯片的连接之中。但是一个IGBT模块中含有多个不同厚度的芯片,本文中,研究了将纳米银焊膏的低温烧结工艺应用于IGBT模块之中的可行性。本文的研究工作可以分为三个部分:首先,研究了IGBT模块中的IGBT模拟芯片和二极管模拟芯片的制作工艺和方法。本文中使用厚度不同的两种单晶硅片分别模拟IGBT和二极管,工艺顺序是先将硅片切割成目标尺寸再使用磁控溅射进行镀膜。镀膜的顺序是先在硅片上镀一层钛,再镀一层银。其次,设计了模块的电路和DBC基板的电路图形,并利用激光刻板机和蚀刻机等设备制作了带有图形的DBC基板。模块中的电路设计应遵循的原则是要对称布局,这样可以使得电流在模块中均匀分布,使得模块性能得到最大的发挥。最后,通过本人设计的烧结专用装置,实现了不同厚度芯片用纳米银焊膏低温烧结工艺在DBC基板上一次性加压烧结。
摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
第一章 绪论第9-25页
    1.1 IGBT 概述第9-14页
        1.1.1 电力电子器件的发展第9-10页
        1.1.2 IGBT 发展历程第10-11页
        1.1.3 IGBT 的结构第11页
        1.1.4 IGBT 的基本特性第11-14页
        1.1.5 IGBT 功率模块第14页
    1.2 电子封装概述第14-17页
        1.2.1 电子封装的等级结构第15页
        1.2.2 电子封装中的常用材料第15-16页
        1.2.3 电子封装中的连接材料和方法第16-17页
    1.3 粉末颗粒烧结和纳米银焊膏概述第17-23页
        1.3.1 烧结过程的机制第17-18页
        1.3.2 烧结过程的驱动力第18-20页
        1.3.3 纳米银焊膏简介第20-23页
    1.4 本文研究意义及研究工作第23-25页
        1.4.1 研究意义第23页
        1.4.2 研究工作第23-25页
第二章 机械芯片的制作第25-36页
    2.1 实验材料及切片设备第25-29页
        2.1.1 单晶硅简介第25-27页
        2.1.2 划片切割机第27-28页
        2.1.3 试样及其制备过程第28-29页
    2.2 磁控溅射工艺的研究第29-36页
        2.2.1 薄膜工程简介第29-30页
        2.2.2 溅射现象第30-32页
        2.2.3 磁控溅射技术第32-33页
        2.2.4 超高真空离子束清洗与磁控溅射镀膜设备第33-34页
        2.2.5 实验步骤与结果第34-36页
第三章 模块的电路设计和基板制作第36-45页
    3.1 模块的电路设计第36-39页
        3.1.1 模块电路结构第36-37页
        3.1.2 模块中芯片的布局第37-39页
    3.2 基板的制作第39-44页
        3.2.1 A1_20_3 陶瓷直接敷铜基板第39-40页
        3.2.2 电路图形的设计与雕刻第40-41页
        3.2.3 实验过程第41-44页
    3.3 本章小结第44-45页
第四章 基于纳米银焊膏的大面积芯片烧结工艺第45-58页
    4.1 应用于大面积芯片连接的纳米银低温烧结第45-47页
    4.2 多芯片模块的烧结方法第47-51页
        4.2.1 多芯片烧结中的问题第47-48页
        4.2.2 一次性烧结多个不同厚度芯片装置第48-49页
        4.2.3 焊膏印刷技术第49-51页
    4.3 纳米银焊膏烧结中所使用的设备第51-54页
        4.3.1 手动印刷台第51页
        4.3.2 恒温加热台第51-52页
        4.3.3 半自动贴片机第52-53页
        4.3.4 双面加热热压机第53页
        4.3.5 不同厚度芯片一次性烧结装置第53-54页
    4.4 实验过程第54-57页
        4.4.1 基板、设备和工具的清洁第54页
        4.4.2 焊膏的印刷第54-55页
        4.4.3 干燥第55页
        4.4.4 焊膏的二次印刷第55页
        4.4.5 贴片第55-56页
        4.4.6 加压烧结第56-57页
    4.5 本章小结第57-58页
第五章 结论第58-59页
    5.1 本文的主要工作及结论第58页
    5.2 下一步工作建议及展望第58-59页
参考文献第59-63页
发表论文和参加科研情况说明第63-64页
致谢第64页
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