Sn-M混合颗粒超声辅助快速回流生成化合物机理的研究
发布时间：2021-06-20 17:14
随着小型化、高集成度、多功能的SiC、GaN等大功率器件的不断发展,对芯片封装互连材料有了更高的要求。传统的Sn基无铅钎料因其熔点较低,已经不能满足大功率器件的高温服役要求。因此,需要一种成本较低的钎料能够在低温下实现芯片的连接,同时能够在高温下服役,连接工艺要简单易行。本文设计并使用Sn-Ni的大小颗粒混合钎料,并采取超声波辅助回流的工艺,在温度为250℃,超声作用时间10 s的条件下,实现了200 W的低超声功率键合Ni-Ni基板,得到了由高熔点的Ni3Sn4和Ni颗粒组成的致密组织,焊缝内部几乎没有孔洞等缺陷。此外,与单纯的大Ni钎料和小Ni钎料相比,大小颗粒混合钎料的剪切强度最高为45.24 MPa,在经过360 h的老化之后,其焊缝组织几乎没有变化,剪切强度为49.75 MPa。本文还深入探究了超声作用下Ni3Sn4化合物快速生长的机理。根据测量Ni颗粒粒径的减少量来等效计算超声作用时,Ni3Sn4厚度的增加量,并通过拟合计算得到了超声辅助回流时...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cu/Sn-3.5Ag/CuTLP组织
图 1-1 Cu/Sn-3.5Ag/Cu TLP 组织[27]:a）回流后；b）时效 500h 后；c）回流后；d）时效 500h 后片层状的钎料一般耗时较久，日本的 Mokhtari 等人[28]对在 Sn-Bi 钎料膏 Cu 颗粒制备了颗粒混合的钎料，并对该种颗粒混合钎料 TLP 工艺进行了试验示意图如图1-2所示），经过试验结果得出：Cu颗粒含量为30wt.%，在20回流 50 min 时，可消耗掉全部的 Sn 获得由 Cu-Sn 金属间化合物和富 Bi 相接头。同时，作者研究了 Cu6Sn5的生长规律发现，在加入 Cu 颗粒后，基板 Cu 周围的 Cu6Sn5出现了剥离的情况，且剥离的方向遵循热力学平衡原理，粒周围的剥离行为比基板周围发生的要更早一些，作者认为这是应力集中所结果。此外作者认为如果要在更低的温度下得到不含 Sn 的接头，需要使用小的 Cu 颗粒，然而这样会导致颗粒表面易被氧化。
金属间化合物的生长速率，但仍旧是扩散为主导的生长模式，还是需要一定的时间才能将中间钎料完全反应[31]。1.2.2 TLP 过程中中化合物生长机理的研究现状Shao 等人[32]对 Ag/SnTLP 工艺中 Ag3Sn 的生长机理进行了研究。试验结果表明，在 250 ℃的反应温度下，Ag3Sn 主要形貌为扇贝状，但是也有少量的棱柱状针状、板状和线状的晶粒被观察到，这是 Ag3Sn 晶粒生长的各向异性所致的。随着回流时间的延长，在晶粒逐渐粗化，基板 Ag 原子的各向异性扩散的影响下，扇贝状 Ag3Sn 晶粒表面出现多个平面。此外，作者还发现在凝固过程中富 Ag 区有许多纳米 Ag3Sn 颗粒生成并吸附在 Ag3Sn 晶粒表面；作者提出 Ag3Sn 生长模型（图1-3 所示）并计算出了 Ag3Sn IMC 在 250 ℃、280 ℃和 320 ℃下的晶粒生长常数分别为5.83×10-15m2/s，7.83×10-15m2/s 和 2.83×10-14m2/s，反应激活能约为 58.89 KJ/mo该作者在另一篇文献中报道了 Cu/Sn/Ag 接头老化后的剪切性能[33]，如图 1-4 所示接头剪切强度随老化时间增加先增加后减小。
【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]碳化硅（SiC）功率器件及其在航天电子产品中的应用前景展望[J]. 白玉新,刘俊琴,李雪,曹英健,张建国,仲悦. 航天标准化. 2011(03)
[3]电子组装用高温无铅钎料的研究进展[J]. 房卫萍,史耀武,夏志东,雷永平,郭福. 电子元件与材料. 2009(03)
[4]无铅焊膏的设计与展望[J]. 史耀武,雷永平,夏志东,郭福,李晓延. 电子元件与材料. 2008(09)
[5]电子组装用高温无铅钎料的研制[J]. 房卫萍,史耀武,夏志东,郭福,雷永平. 电子元件与材料. 2008(03)
[6]AuSn钎料及镀层界面金属间化合物的演变[J]. 张威,王春青,阎勃晗. 稀有金属材料与工程. 2006(07)
硕士论文
[1]电子封装低温软钎焊用低残留无铅锡膏的制备与性能研究[D]. 马发谦.华南理工大学 2017
[2]石墨烯增强Sn-Ag-Cu复合无铅钎料的设计与性能研究[D]. 刘向东.天津大学 2013
[3]无铅钎料激光软钎焊润湿性机理的研究[D]. 邱大勇.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3239605
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cu/Sn-3.5Ag/CuTLP组织
图 1-1 Cu/Sn-3.5Ag/Cu TLP 组织[27]:a）回流后；b）时效 500h 后；c）回流后；d）时效 500h 后片层状的钎料一般耗时较久，日本的 Mokhtari 等人[28]对在 Sn-Bi 钎料膏 Cu 颗粒制备了颗粒混合的钎料，并对该种颗粒混合钎料 TLP 工艺进行了试验示意图如图1-2所示），经过试验结果得出：Cu颗粒含量为30wt.%，在20回流 50 min 时，可消耗掉全部的 Sn 获得由 Cu-Sn 金属间化合物和富 Bi 相接头。同时，作者研究了 Cu6Sn5的生长规律发现，在加入 Cu 颗粒后，基板 Cu 周围的 Cu6Sn5出现了剥离的情况，且剥离的方向遵循热力学平衡原理，粒周围的剥离行为比基板周围发生的要更早一些，作者认为这是应力集中所结果。此外作者认为如果要在更低的温度下得到不含 Sn 的接头，需要使用小的 Cu 颗粒，然而这样会导致颗粒表面易被氧化。
金属间化合物的生长速率，但仍旧是扩散为主导的生长模式，还是需要一定的时间才能将中间钎料完全反应[31]。1.2.2 TLP 过程中中化合物生长机理的研究现状Shao 等人[32]对 Ag/SnTLP 工艺中 Ag3Sn 的生长机理进行了研究。试验结果表明，在 250 ℃的反应温度下，Ag3Sn 主要形貌为扇贝状，但是也有少量的棱柱状针状、板状和线状的晶粒被观察到，这是 Ag3Sn 晶粒生长的各向异性所致的。随着回流时间的延长，在晶粒逐渐粗化，基板 Ag 原子的各向异性扩散的影响下，扇贝状 Ag3Sn 晶粒表面出现多个平面。此外，作者还发现在凝固过程中富 Ag 区有许多纳米 Ag3Sn 颗粒生成并吸附在 Ag3Sn 晶粒表面；作者提出 Ag3Sn 生长模型（图1-3 所示）并计算出了 Ag3Sn IMC 在 250 ℃、280 ℃和 320 ℃下的晶粒生长常数分别为5.83×10-15m2/s，7.83×10-15m2/s 和 2.83×10-14m2/s，反应激活能约为 58.89 KJ/mo该作者在另一篇文献中报道了 Cu/Sn/Ag 接头老化后的剪切性能[33]，如图 1-4 所示接头剪切强度随老化时间增加先增加后减小。
【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]碳化硅（SiC）功率器件及其在航天电子产品中的应用前景展望[J]. 白玉新,刘俊琴,李雪,曹英健,张建国,仲悦. 航天标准化. 2011(03)
[3]电子组装用高温无铅钎料的研究进展[J]. 房卫萍,史耀武,夏志东,雷永平,郭福. 电子元件与材料. 2009(03)
[4]无铅焊膏的设计与展望[J]. 史耀武,雷永平,夏志东,郭福,李晓延. 电子元件与材料. 2008(09)
[5]电子组装用高温无铅钎料的研制[J]. 房卫萍,史耀武,夏志东,郭福,雷永平. 电子元件与材料. 2008(03)
[6]AuSn钎料及镀层界面金属间化合物的演变[J]. 张威,王春青,阎勃晗. 稀有金属材料与工程. 2006(07)
硕士论文
[1]电子封装低温软钎焊用低残留无铅锡膏的制备与性能研究[D]. 马发谦.华南理工大学 2017
[2]石墨烯增强Sn-Ag-Cu复合无铅钎料的设计与性能研究[D]. 刘向东.天津大学 2013
[3]无铅钎料激光软钎焊润湿性机理的研究[D]. 邱大勇.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3239605
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