微焊點Cu-Sn化合物演變規(guī)律及其原位力學性能研究
發(fā)布時間：2021-03-26 12:32
隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,以SiC為代表的第三代半導體功率器件具有禁帶寬、擊穿電壓高、功率密度大等優(yōu)良特性,受到人們的廣泛青睞。然而,現(xiàn)有Sn基釬料無法滿足第三代半導體功率器件在高溫環(huán)境下服役的要求。近年來,形成全化合物接頭是研究的熱點,研究化合物的形成規(guī)律,揭示化合物的形成機理,這對所需鍍層厚度的設計及可靠性研究具有重要的理論和工程意義。本文對耐高溫封裝連接材料Cu-Sn金屬間化合物的顯微組織及其力學性能進行研究,獲得了Cu/Sn固-液界面反應規(guī)律,主控元素（Sn/Cu）對Cu/Sn固固界面化合物層轉變的影響,不同溫度下Cu-Sn化合物的微觀力學性能,并在此基礎上提出了熱壓焊下高效、快速制備全Cu3Sn化合物接頭的新方法。研究240-270℃回流焊Cu/Sn固-液界面化合物在不同時間下的生長動力學規(guī)律。獲得了260℃下5-190s內Cu/Sn固-液界面Cu6Sn5層生長指數(shù)、界面Cu6Sn5晶粒粗化指數(shù)以及240-270℃內初始Cu3Sn形成時間與溫度相關的數(shù)學表達式。研究180℃下主控元素對Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu界面Cu3Sn層厚度的影響。當主控元素為Cu時,Cu3...
【文章來源】：哈爾濱理工大學黑龍江省
【文章頁數(shù)】：149 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
半導體功率器件內部結構
圖 1-2 納米 Ag 焊膏燒結過程示意圖Fig. 1-2 The schematic of nano-Ag sintering processAlarifi 等人[28]在 160 ℃下通過固態(tài)燒結納米 Ag 焊膏實現(xiàn)了 Cu 線與 Cu箔之間的連接。通過添加檸檬酸鈉二水合物降低了 AgNO3含量，制備出了0.0001 Vol%的混合溶液。在 160 ℃下檸檬酸鹽分解后促進了納米 Ag 顆粒與 Cu 線之間的結合。在 160 ℃和 250 ℃下進行剪切試驗，可分別導致 50μm 和 250 μm 的 Cu 線的斷裂。通過顯微組織觀察可發(fā)現(xiàn)納米 Ag 顆粒與 Cu形成了冶金結合。因而，經由燒結納米 Ag 顆�？蓪崿F(xiàn)低溫鍵合高溫服役。圖 1-3 為室溫和 200 ℃下燒結不同時間后的納米 Ag 顆粒 SEM 圖。Chua 等人[29]研究了 300 ℃下無壓 Ag 燒結接頭的界面演變規(guī)律及其孔隙率。研究表明：處于 DBC 基底一側的無壓 Ag 燒結接頭在時效 1000 h 后的剪切強度仍然高于 5 MPa，而處于 Cu 基板一側的無壓 Ag 燒結接頭在時效 50 h 后就降至 5 MPa 以下。在 Cu 基板界面顯微組織中出現(xiàn)了 CuO 聚集的現(xiàn)象，當該 CuO 層厚度達到某一厚度后，會降低接頭的剪切強度。由于基板、納米 Ag 與 CuO 層之間的熱膨脹系數(shù)相近，因此，在 DBC 側的納米
(d) 5 min (e) 10 min (f) 30 min圖 1-3 為室溫(a)和 200 ℃下燒結不同時間后的納米 Ag 顆粒 SEM 圖Fig. 1-3 SEM images of silver NPs (a) at RT and sintered at 200 ℃(a) 0 h (b) 24 h (c) 50 h
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Cu/Sn/Cu超聲-TLP接頭的顯微組織與力學性能[J]. 劉積厚,趙洪運,李卓霖,宋曉國,董紅杰,趙一璇,馮吉才. 金屬學報. 2017(02)
[2]室溫超聲鍵合中Cu/Sn固液界面間的超聲聲化學效應（英文）[J]. 李卓霖,李明雨,肖勇. 集成技術. 2014(06)
[3]液態(tài)Sn-Cu釬料的黏滯性與潤濕行為研究[J]. 趙寧,黃明亮,馬海濤,潘學民,劉曉英. 物理學報. 2013(08)
[4]納米金屬顆粒膏合成及其低溫燒結連接的電子封裝應用研究進展[J]. 鄒貴生,閆劍鋒,劉磊,吳愛萍,張冬月,母鳳文,林路禪,張穎川,趙振宇,周運鴻. 機械制造文摘(焊接分冊). 2013(01)
[5]基于納米壓痕法分析無鉛焊點內Cu6Sn5金屬化合物的力學性能[J]. 楊雪霞,肖革勝,袁國政,李志剛,樹學峰. 稀有金屬材料與工程. 2013(02)
[6]SnAgCu/SnAgCuCe焊點的顯微組織與性能[J]. 張亮,韓繼光,郭永環(huán),賴忠民,張亮. 機械工程學報. 2012(08)
[7]Evolution of Intermetallic Compounds between Sn-0.3Ag-0.7Cu Low-silver Lead-free Solder and Cu Substrate during Thermal Aging[J]. Niwat Mookam,Kannachai Kanlayasiri. Journal of Materials Science & Technology. 2012(01)
[8]納米壓痕法測量Sn-Ag-Cu無鉛釬料BGA焊點的力學性能參數(shù)[J]. 王鳳江,錢乙余,馬鑫. 金屬學報. 2005(07)
碩士論文
[1]Cu/Sn多層薄膜制備單IMC結構焊點研究[D]. 江琛.哈爾濱工業(yè)大學 2015
本文編號：3101591
【文章來源】：哈爾濱理工大學黑龍江省
【文章頁數(shù)】：149 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
半導體功率器件內部結構
圖 1-2 納米 Ag 焊膏燒結過程示意圖Fig. 1-2 The schematic of nano-Ag sintering processAlarifi 等人[28]在 160 ℃下通過固態(tài)燒結納米 Ag 焊膏實現(xiàn)了 Cu 線與 Cu箔之間的連接。通過添加檸檬酸鈉二水合物降低了 AgNO3含量，制備出了0.0001 Vol%的混合溶液。在 160 ℃下檸檬酸鹽分解后促進了納米 Ag 顆粒與 Cu 線之間的結合。在 160 ℃和 250 ℃下進行剪切試驗，可分別導致 50μm 和 250 μm 的 Cu 線的斷裂。通過顯微組織觀察可發(fā)現(xiàn)納米 Ag 顆粒與 Cu形成了冶金結合。因而，經由燒結納米 Ag 顆�？蓪崿F(xiàn)低溫鍵合高溫服役。圖 1-3 為室溫和 200 ℃下燒結不同時間后的納米 Ag 顆粒 SEM 圖。Chua 等人[29]研究了 300 ℃下無壓 Ag 燒結接頭的界面演變規(guī)律及其孔隙率。研究表明：處于 DBC 基底一側的無壓 Ag 燒結接頭在時效 1000 h 后的剪切強度仍然高于 5 MPa，而處于 Cu 基板一側的無壓 Ag 燒結接頭在時效 50 h 后就降至 5 MPa 以下。在 Cu 基板界面顯微組織中出現(xiàn)了 CuO 聚集的現(xiàn)象，當該 CuO 層厚度達到某一厚度后，會降低接頭的剪切強度。由于基板、納米 Ag 與 CuO 層之間的熱膨脹系數(shù)相近，因此，在 DBC 側的納米
(d) 5 min (e) 10 min (f) 30 min圖 1-3 為室溫(a)和 200 ℃下燒結不同時間后的納米 Ag 顆粒 SEM 圖Fig. 1-3 SEM images of silver NPs (a) at RT and sintered at 200 ℃(a) 0 h (b) 24 h (c) 50 h
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Cu/Sn/Cu超聲-TLP接頭的顯微組織與力學性能[J]. 劉積厚,趙洪運,李卓霖,宋曉國,董紅杰,趙一璇,馮吉才. 金屬學報. 2017(02)
[2]室溫超聲鍵合中Cu/Sn固液界面間的超聲聲化學效應（英文）[J]. 李卓霖,李明雨,肖勇. 集成技術. 2014(06)
[3]液態(tài)Sn-Cu釬料的黏滯性與潤濕行為研究[J]. 趙寧,黃明亮,馬海濤,潘學民,劉曉英. 物理學報. 2013(08)
[4]納米金屬顆粒膏合成及其低溫燒結連接的電子封裝應用研究進展[J]. 鄒貴生,閆劍鋒,劉磊,吳愛萍,張冬月,母鳳文,林路禪,張穎川,趙振宇,周運鴻. 機械制造文摘(焊接分冊). 2013(01)
[5]基于納米壓痕法分析無鉛焊點內Cu6Sn5金屬化合物的力學性能[J]. 楊雪霞,肖革勝,袁國政,李志剛,樹學峰. 稀有金屬材料與工程. 2013(02)
[6]SnAgCu/SnAgCuCe焊點的顯微組織與性能[J]. 張亮,韓繼光,郭永環(huán),賴忠民,張亮. 機械工程學報. 2012(08)
[7]Evolution of Intermetallic Compounds between Sn-0.3Ag-0.7Cu Low-silver Lead-free Solder and Cu Substrate during Thermal Aging[J]. Niwat Mookam,Kannachai Kanlayasiri. Journal of Materials Science & Technology. 2012(01)
[8]納米壓痕法測量Sn-Ag-Cu無鉛釬料BGA焊點的力學性能參數(shù)[J]. 王鳳江,錢乙余,馬鑫. 金屬學報. 2005(07)
碩士論文
[1]Cu/Sn多層薄膜制備單IMC結構焊點研究[D]. 江琛.哈爾濱工業(yè)大學 2015
本文編號：3101591
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