Evaluation of die attach materials for high temperature power electronics appictions and analysis of the Ag particles sintering solution

Resumen

La sinterització de partícules d'Ag és una solució interessant com a material per "die-attach" pels mòduls de l'electrònica de potència, principalment per aplicacions d'alta temperatura, ja que ofereix les bones propietats de l'Ag (incloent el punt de fusió de 961 ºC) utilitzant una baixa temperatura de procés (< 300 ºC) . En aquest treball s'ha estudiat el procés per a la sinterització de partícules d'Ag i s’ha realitzat una anàlisi comparativa amb altres materials utilitzant cicles tèrmics. Primer, hem analitzat l'efecte dels principals paràmetres del procés de sinterització de la capa sinteritzada d'Ag amb l'objectiu d'obtenir informació per l'aplicació directa de pastes d'Ag en mòduls de potència, i així, comprendre els principals mecanismes que regulen les propietats d'aquest material. Aquesta tasca va requerir el desenvolupament de muntatges experimentals i eines específiques que van permetre establir les diferents condicions del procés. Els paràmetres de sinterització analitzats van ser: la pressió, temperatura, temps, mètode d’assecat de la pasta d'Ag i les condicions de la superfície del substrat. L'anàlisi basada en les microseccions FIB i els tests de "die-shear" van revelar que la densificació de la capa d'Ag i la seva adherència al substrat de Cu, milloren clarament amb major pressió i temperatura de sinterització, i que es veuen poc afectades pel temps de sinteritzat. Aquests fets evidenciaven que la perifèria del "die-attach" està fortament influenciada per l'ambient (aire) i que, en aquesta regió s’eliminen millor els components orgànics de la pasta d'Ag (durant l'etapa de secat) que en el centre. Aquest procés ha estat identificat com el més crític durant la sinterització i el mètode d’assecat sense el xip sobre la pasta, ha estat el que ha mostrat els millors resultats. Un resultat interessant de l'estudi és que, la pressió i la temperatura de sinterització es poden ajustar de forma complementària per obtenir una adhesió requerida (valor de "die-shear"). D'aquesta manera, el procés de sinterització es pot adaptar a diferents condicions de processat, com per exemple mostres compatibles amb altes pressions, però no amb altes temperatures o viceversa. També s'ha portat a terme una anàlisi comparativa del comportament termomecànic amb altres materials de "die-attach" (AuGe i PbSnAg) amb proves de cicles tèrmics severs (-65 ºC a 275 ºC) utilitzant vehicles de prova formats per varis xips (Si o SiC) i substrats (Cu sense metal·litzar i metal·litzats amb Ag i Au). Les mostres van ser ciclades (en un muntatge experimental desenvolupat específicament) i avaluades amb un protocol basat en el test de "die-shear" i inspeccions SAM, per a determinar els modes de fallada. La millor força de “die-shear” es va obtenir en tots els casos per a les partícules sinteritzades d'Ag, encara que la velocitat de degradació més alta va ser per a les mostres de plata sinteritzada assecades amb xip. En contrast, pel mètode d’assecat sense xip, el sinteritzat d'Ag mostra inclús millors resultats en el cicle tèrmic, que pels aliatges de soldadura. En quant al material semiconductor, els resultats dels cicles tèrmics mostren que la taxa de degradació és més ràpida per a les mostres amb SiC, que per a les elaborades amb Si, mentre que per al les soldadures (aliatges) el PbSnAg mostra millors resultats que l’AuGe. En aquest sentit es va realitzar un treball de simulació termomecànica per entendre els mecanismes de degradació durant el cicle tèrmic. Les simulacions van demostrar que els estressos normals més alts associats amb els canvis de temperatura es troben a la interfase "die-attach"/ substrat, amb els valors màxims a les cantonades del xip i a la seva perifèria. Aquests resultats expliquen qualitativament les imatges SAM que mostren patrons de delaminació concèntriques al "die-attach" i, a més a més, que els materials "més rígids" (amb major mòdul de Young, com SiC i AuGe) mostren taxes de degradació més ràpides.