铜锡核壳结构纳米颗粒的制备与表征

发布时间：2018-03-01 21:39

  本文关键词： 纳米颗粒 高温钎料 核壳结构 烧结　出处：《哈尔滨工业大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来随着电子工业领域的飞速发展,电子产品性能逐步提高并向小型化、集成化发展。由于无铅化禁令的颁布,目前大部分的含铅钎料均被其他成分所替代。当前,高温功率器件芯片键合主要有纳米浆料烧结法、瞬态液相连接法、高温合金钎料焊接等,其中,纳米银浆烧结形成的接头具有良好的导电导热性能,但银存在电迁移等问题,同时纳米浆料制备成本高,难以进行大规模批量生产;瞬态液相连接工艺成本低,但容易发生反应不完全的现象,易造成可靠性问题。因此,本课题旨在探索一种既能在较低温度下(低于300℃)形成冶金连接,又能够保证所获得接头在高温下(高于250℃)服役,同时回流时间能够控制在合理范围内,价格又非常低廉的一种新型互连材料。基于纳米材料具有的尺寸效应,纳米金属颗粒具有明显优势,然而,除银纳米颗粒(Ag nanoparticles,AgNPs)之外,CuNPs具有更好的成本优势。但是由于Cu易氧化,本文提出一种具有核壳结构的纳米颗粒作为互连材料,即,外层为Sn内层为Cu的核壳结构,其优点在于,当在250℃下回流时,外层Sn熔化形成连接并与内层Cu核反应生成金属间化合物,最终形成具有金属间化合物中分散有Cu颗粒的焊缝结构,具有很高的熔点,因此具有低温成形高温服役潜力。本文采用液相化学还原法成功制备出Cu@Sn核壳结构纳米颗粒。研究了以一缩二乙二醇为溶剂、PVP为分散剂的体系中制备纳米铜的方法。通过改变还原剂的浓度、反应温度、反应时间的前驱物浓度等关键变量,得到制备纳米铜的最优条件。在此基础上利用制得的铜纳米颗粒制备Cu@Sn核壳结构纳米颗粒,在配位剂的作用下使Cu2+/Cu电对的电极电位降低,置换出比Cu活泼的Sn2+,同样探究了制备Cu@Sn核壳结构纳米颗粒的最优条件。通过最优工艺参数制备出的Cu@Sn核壳结构纳米颗粒在30 MPa压力下压制成块体,然后分别在200℃、250℃和300℃进行烧结。烧结后的块体通过SEM观察,发现了颗粒烧结颈的形成。同时,对烧结后的块体进行了性能测试。通过比较发现250℃下烧结的块体具有最优的性能,其弹性模量为弹性模量为17.58GPa,电阻率为23.67×10-6Ω·m,孔隙率仅有7.67%。纳米颗粒与钎剂混合成钎料膏后,与铜片分别在200℃、250℃和300℃下进行烧结。通过SEM对接头的微观组织进行对比分析,得到最佳的烧结温度为250℃;最佳的烧结时间为60 min。
[Abstract]:With the rapid development of electronic industry in recent years, the performance of electronic products has been gradually improved and developed to miniaturization and integration. As a result of the ban on lead-free, most lead-free solders have been replaced by other components. High temperature power device chip bonding mainly includes nano-slurry sintering method, transient liquid phase bonding method, superalloy solder welding, etc. Among them, the joints formed by nano-silver paste sintering have good conductivity and thermal conductivity, but silver has some problems such as electromigration. At the same time, the preparation cost of nano-sized slurry is high, it is difficult to carry out large-scale mass production, and the transient liquid phase bonding process is low in cost, but prone to incomplete reaction, and easy to cause reliability problems. The purpose of this paper is to explore a kind of joint which can form metallurgical connection at lower temperature (lower than 300 鈩，

本文编号：1553693