微焊点Cu-Sn化合物演变规律及其原位力学性能研究
发布时间：2021-03-26 12:32
随着电力电子技术的不断发展,以SiC为代表的第三代半导体功率器件具有禁带宽、击穿电压高、功率密度大等优良特性,受到人们的广泛青睐。然而,现有Sn基钎料无法满足第三代半导体功率器件在高温环境下服役的要求。近年来,形成全化合物接头是研究的热点,研究化合物的形成规律,揭示化合物的形成机理,这对所需镀层厚度的设计及可靠性研究具有重要的理论和工程意义。本文对耐高温封装连接材料Cu-Sn金属间化合物的显微组织及其力学性能进行研究,获得了Cu/Sn固-液界面反应规律,主控元素（Sn/Cu）对Cu/Sn固固界面化合物层转变的影响,不同温度下Cu-Sn化合物的微观力学性能,并在此基础上提出了热压焊下高效、快速制备全Cu3Sn化合物接头的新方法。研究240-270℃回流焊Cu/Sn固-液界面化合物在不同时间下的生长动力学规律。获得了260℃下5-190s内Cu/Sn固-液界面Cu6Sn5层生长指数、界面Cu6Sn5晶粒粗化指数以及240-270℃内初始Cu3Sn形成时间与温度相关的数学表达式。研究180℃下主控元素对Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu界面Cu3Sn层厚度的影响。当主控元素为Cu时,Cu3...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
半导体功率器件内部结构
图 1-2 纳米 Ag 焊膏烧结过程示意图Fig. 1-2 The schematic of nano-Ag sintering processAlarifi 等人[28]在 160 ℃下通过固态烧结纳米 Ag 焊膏实现了 Cu 线与 Cu箔之间的连接。通过添加柠檬酸钠二水合物降低了 AgNO3含量，制备出了0.0001 Vol%的混合溶液。在 160 ℃下柠檬酸盐分解后促进了纳米 Ag 颗粒与 Cu 线之间的结合。在 160 ℃和 250 ℃下进行剪切试验，可分别导致 50μm 和 250 μm 的 Cu 线的断裂。通过显微组织观察可发现纳米 Ag 颗粒与 Cu形成了冶金结合。因而，经由烧结纳米 Ag 颗粒可实现低温键合高温服役。图 1-3 为室温和 200 ℃下烧结不同时间后的纳米 Ag 颗粒 SEM 图。Chua 等人[29]研究了 300 ℃下无压 Ag 烧结接头的界面演变规律及其孔隙率。研究表明：处于 DBC 基底一侧的无压 Ag 烧结接头在时效 1000 h 后的剪切强度仍然高于 5 MPa，而处于 Cu 基板一侧的无压 Ag 烧结接头在时效 50 h 后就降至 5 MPa 以下。在 Cu 基板界面显微组织中出现了 CuO 聚集的现象，当该 CuO 层厚度达到某一厚度后，会降低接头的剪切强度。由于基板、纳米 Ag 与 CuO 层之间的热膨胀系数相近，因此，在 DBC 侧的纳米
(d) 5 min (e) 10 min (f) 30 min图 1-3 为室温(a)和 200 ℃下烧结不同时间后的纳米 Ag 颗粒 SEM 图Fig. 1-3 SEM images of silver NPs (a) at RT and sintered at 200 ℃(a) 0 h (b) 24 h (c) 50 h
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cu/Sn/Cu超声-TLP接头的显微组织与力学性能[J]. 刘积厚,赵洪运,李卓霖,宋晓国,董红杰,赵一璇,冯吉才. 金属学报. 2017(02)
[2]室温超声键合中Cu/Sn固液界面间的超声声化学效应（英文）[J]. 李卓霖,李明雨,肖勇. 集成技术. 2014(06)
[3]液态Sn-Cu钎料的黏滞性与润湿行为研究[J]. 赵宁,黄明亮,马海涛,潘学民,刘晓英. 物理学报. 2013(08)
[4]纳米金属颗粒膏合成及其低温烧结连接的电子封装应用研究进展[J]. 邹贵生,闫剑锋,刘磊,吴爱萍,张冬月,母凤文,林路禅,张颖川,赵振宇,周运鸿. 机械制造文摘(焊接分册). 2013(01)
[5]基于纳米压痕法分析无铅焊点内Cu6Sn5金属化合物的力学性能[J]. 杨雪霞,肖革胜,袁国政,李志刚,树学峰. 稀有金属材料与工程. 2013(02)
[6]SnAgCu/SnAgCuCe焊点的显微组织与性能[J]. 张亮,韩继光,郭永环,赖忠民,张亮. 机械工程学报. 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]纳米压痕法测量Sn-Ag-Cu无铅钎料BGA焊点的力学性能参数[J]. 王凤江,钱乙余,马鑫. 金属学报. 2005(07)
硕士论文
[1]Cu/Sn多层薄膜制备单IMC结构焊点研究[D]. 江琛.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3101591
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
半导体功率器件内部结构
图 1-2 纳米 Ag 焊膏烧结过程示意图Fig. 1-2 The schematic of nano-Ag sintering processAlarifi 等人[28]在 160 ℃下通过固态烧结纳米 Ag 焊膏实现了 Cu 线与 Cu箔之间的连接。通过添加柠檬酸钠二水合物降低了 AgNO3含量，制备出了0.0001 Vol%的混合溶液。在 160 ℃下柠檬酸盐分解后促进了纳米 Ag 颗粒与 Cu 线之间的结合。在 160 ℃和 250 ℃下进行剪切试验，可分别导致 50μm 和 250 μm 的 Cu 线的断裂。通过显微组织观察可发现纳米 Ag 颗粒与 Cu形成了冶金结合。因而，经由烧结纳米 Ag 颗粒可实现低温键合高温服役。图 1-3 为室温和 200 ℃下烧结不同时间后的纳米 Ag 颗粒 SEM 图。Chua 等人[29]研究了 300 ℃下无压 Ag 烧结接头的界面演变规律及其孔隙率。研究表明：处于 DBC 基底一侧的无压 Ag 烧结接头在时效 1000 h 后的剪切强度仍然高于 5 MPa，而处于 Cu 基板一侧的无压 Ag 烧结接头在时效 50 h 后就降至 5 MPa 以下。在 Cu 基板界面显微组织中出现了 CuO 聚集的现象，当该 CuO 层厚度达到某一厚度后，会降低接头的剪切强度。由于基板、纳米 Ag 与 CuO 层之间的热膨胀系数相近，因此，在 DBC 侧的纳米
(d) 5 min (e) 10 min (f) 30 min图 1-3 为室温(a)和 200 ℃下烧结不同时间后的纳米 Ag 颗粒 SEM 图Fig. 1-3 SEM images of silver NPs (a) at RT and sintered at 200 ℃(a) 0 h (b) 24 h (c) 50 h
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cu/Sn/Cu超声-TLP接头的显微组织与力学性能[J]. 刘积厚,赵洪运,李卓霖,宋晓国,董红杰,赵一璇,冯吉才. 金属学报. 2017(02)
[2]室温超声键合中Cu/Sn固液界面间的超声声化学效应（英文）[J]. 李卓霖,李明雨,肖勇. 集成技术. 2014(06)
[3]液态Sn-Cu钎料的黏滞性与润湿行为研究[J]. 赵宁,黄明亮,马海涛,潘学民,刘晓英. 物理学报. 2013(08)
[4]纳米金属颗粒膏合成及其低温烧结连接的电子封装应用研究进展[J]. 邹贵生,闫剑锋,刘磊,吴爱萍,张冬月,母凤文,林路禅,张颖川,赵振宇,周运鸿. 机械制造文摘(焊接分册). 2013(01)
[5]基于纳米压痕法分析无铅焊点内Cu6Sn5金属化合物的力学性能[J]. 杨雪霞,肖革胜,袁国政,李志刚,树学峰. 稀有金属材料与工程. 2013(02)
[6]SnAgCu/SnAgCuCe焊点的显微组织与性能[J]. 张亮,韩继光,郭永环,赖忠民,张亮. 机械工程学报. 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]纳米压痕法测量Sn-Ag-Cu无铅钎料BGA焊点的力学性能参数[J]. 王凤江,钱乙余,马鑫. 金属学报. 2005(07)
硕士论文
[1]Cu/Sn多层薄膜制备单IMC结构焊点研究[D]. 江琛.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3101591
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