以泡沫铜为中间层的耐高温焊缝制备与性能研究

发布时间：2020-11-02 20:05

　　 随着微电子器件向小型化、多功能化发展,器件集成度逐渐提升。这导致通过电子器件的电流密度增大,从而引起功率密度及发热量的升高。对于宽带隙半导体材料,其电子器件能够在200℃以上稳定工作,部分材料工作温度甚至能达到600℃。目前市场急需开发一种能够适用于这种高温功率器件的新型连接材料。本课题采用了脱合金法腐蚀制备泡沫铜片,通过改变腐蚀温度来确定制备泡沫铜片的最佳工艺参数。然后利用泡沫铜片作为中间层,经过热压焊接制备铜-泡沫铜-铜的互连焊点,并对焊点界面进行表征,分析泡沫铜与铜基板的连接机理及泡沫铜内部粗化机理。为考察泡沫铜的焊接质量,本文对泡沫铜焊缝进行电导率、热导率和相关力学性能测试,对焊缝剪切后的断口进行表征,深入分析了焊点断裂位置及断裂模式。最后研究焊点在150℃下老化后焊点界面的形貌变化以及致密度的变化,并对老化后焊点的力学性能进行考察,结合各种表征手段,分析焊点在老化环境中组织变化原因。本课题经过大量的实验研究后发现,采用Cu40Al60合金体作为前驱合金时,在80℃下的1.6 M HCl溶液中腐蚀能够得到孔径孔壁均匀的泡沫铜组织。泡沫铜在260℃温度以及10 MPa的加压下维持5 min即可实现泡沫铜与铜基板的连接。泡沫铜在铜基板表面发生烧结反应,形成连接,而内部的泡沫铜壁挤压后形成了致密结构。通过对材料的性能进行表征,我们发现焊点的剪切强度达到了22.10 MPa;电阻率则为9.65μΩ·cm,与纯铜在相同数量级上;在热导率方面,我们分别在30℃、150℃、300℃时进行测试,发现其值分别为144.30W·m-1K-1、139.63 W·m-1K-1、104.37 W·m-1K-1。这种致密化的泡沫结构在老化服役过程中较为稳定,通过维氏硬度的表征发现在老化过程中组织的粗化反应仍在持续发生,焊点老化后剪切强度也较老化前有较大的提升。综上所述,本文发现了一种新型的高温互连材料,通过对其特殊性能的研究后,形成了能在低温下键合并能够高温下服役的Cu-Cu焊点。我们发现这种高温焊点的电学性能、热学性能和力学性能都较为优异,在高温服役中能维持稳定的焊缝结构及性能。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN405
【部分图文】：

关重要的作用，传统的高温焊接材料为高 Pb 钎料，比较常见的有 4]和 95.5Pb-2Sn-2.5Ag[5]。然而，当电子产品报废以后，PCB 板焊料溶于含氧的水中污染水源。Pb 的可溶解性使它易在人体内累积，损对人体具有不可逆的伤害，因此大多数国家的电子设备法规禁止了铅使用[6,7]。目前广泛应用的 Sn 基焊料和导电胶能够在低于 573 K（300成连接，对于在高温环境中服役的宽带隙半导体功率电子器件，传统难以满足需求，推出适用于这类器件的高温钎料迫在眉睫[8]。这种新接材料需要满足以下三个要求：（1）连接温度与目前回流焊接工艺相接近，焊接时间尽量避免过长低焊接过程中对热敏感器件的热量损伤；（2）连接材料可承受相对较高的服役温度，一方面充分发挥 SiC、G半导体的优势，另一方面保证在苛刻的服役环境中焊缝不会发生二次响可靠性的现象；（3）连接材料具有较好的电导率、热导率及机械强度，充分满足电场需求。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文间延长有显著增大。在低温烧结条件下，压力的提高同样能够提性能。然而在实际焊接过程中需要保证所有待连接器件不受损伤质量而一味提高焊接温度和压力这种方法并不可取。heng 等人[32]通过将有机成分（分散剂，粘合剂和稀释剂）加入到来制备纳米银浆，并研究了在-40 ℃到 125 ℃下的热冲击环境接头的力学性能，如图 1-5 所示。在 1000 次循环后，力学强度MPa 以上，并且在 Ag/Cu 界面并无裂缝产生。种纳米颗粒烧结的方法，可以实现在较低的温度下发生烧结连接的合金块体具有较高的熔点，可耐受较为苛刻的服役环境。但纳后形成金属银块体，为解决 Ag 在高温下的电迁移问题，目前也纳米 Ag-Cu 混合纳米颗粒的研究[33]，但制备纳米颗粒成本较高，，难以实现商业化生产。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文人[37]研发一种环氧树脂基纳米银线填料的 ICAs，在实验中发现由于纳间的隧道效应使纳米线之间的接触电阻较低，当导电填料质量分数为 ，其体积电阻率低于 1 μm 及 100 nm 的 Ag 粒子导电胶的体积电阻率。电填料的增加量可以有效提升导电胶的电导率，然而过高的填料加载量导电胶的抗机械冲击能力。此外，有研究发现[38]，导电胶由于吸湿能力金属化层的粘结界面常出现腐蚀现象。在焊区的金属化过程中，处理工的杂质元素污染液会加速潮热环境下金属的氧化腐蚀。导电胶内部含有，若服役温度超过聚合物玻璃化温度时，聚合物形变增大，会引起裂缝。
【参考文献】

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本文编号：2867505