Structural transformations of low temperature, pressureless sintered silver nanoparticles for die attach interconnections

Abstract

The new generation of wide-bandgap semiconductor devices has proved superb performance among high power electronic devices, demonstrating total functionality at temperatures above 500°C. However, they are limited by current die attach technology which mechanically secures them just up to ~250°C. Reliability problems due to thermal stresses and thermal stability are prevalent reasons. This project proposes a die attach solution using pressureless sintering of silver (Ag) nanoparticles to produce a compact material at relatively low processing temperatures, but with high operating temperature capabilities. Formulating the Ag nanoparticles in a simple dispersant medium and subjecting the resulting paste to sintering tests at different temperatures, dwell times, and environments, was done for the understanding of its evolution mechanisms. Conclusive results were obtained through microstructural analysis and characterization, via SEM examinations, thermal evaluations, qualitative appraisal, and stereological analysis. An exhaustive analysis of the process was carried out from the nano to the macro length scale suggesting the criticality of the mesoscale, where functional interactions were linked. As result, a promising method is suggested by mixing different particles sizes, coating states, and environments, to enhance the sintering results at 300°C, so that a reliable die attach for harsh environments can be obtained.

La nueva generación de dispositivos semiconductores de bandgap amplio ha probado un desempeño superior entre los dispositivos electrónicos de alta potencia, demostrando una funcionalidad total a temperaturas por encima de los 500°C. No obstante, ellos están limitados por la actual tecnología die attach, la cual se encarga de proveerles fijación mecánica sólo hasta ~250°C. Los causales principales de estas dificultades se le atribuyen a problemas de confiabilidad generados por esfuerzos e inestabilidad termal. Este proyecto propone una solución para el die attach usando sintering de nanopartículas de plata (Ag) para producir un material compacto a unas temperaturas de procesamiento relativamente bajas, pero con capacidades de operación a altas temperaturas. La formulación de nanopartículas de Ag en un medio dispersante simple y sometiendo la resultante pasta al sintering a diferentes temperaturas, tiempos de sostenimiento, y ambientes, fue hecha para la comprensión de sus mecanismos de evolución. Se obtuvieron resultados concluyentes a través del análisis y la caracterización micro-estructural, vía examinación en SEM, evaluaciones térmicas, valoración cualitativa, y análisis estereológico. Un análisis exhaustivo del proceso fue desarrollado desde la escala nano hasta la macro sugiriendo la criticidad de la meso-escala, donde las interacciones funcionales fueron convergentes. Como resultado, se sugiere un prometedor método por medio de la mezcla de diferentes tamaños, estados de surfactación, y ambientes, para mejorar los resultados del sintering a 300°C, de modo que se pueda obtener un die attach confiable para ambientes agresivos.