高纯金属钽与铜合金固相连接结构与性能研究

发布时间：2020-07-28 08:09

【摘要】：连接可以将不同种类、不同性质的金属、合金或非金属连接在一起,使其在同一个整体的基础上各自发挥出不同材料本身的优势。与同种金属相比,异种金属之间的连接,尤其是大面积的接触性连接存在非常大的困难,这是由于被连接母材在物理和化学性能方面相差悬殊引起的,例如金属熔点、密度、晶体结构等方面差异。固相连接是实现异种金属间连接的重要方法之一。钽(Ta)金属是集成电路结构单元中微电子领域和半导体之间阻挡层材料的理想PVD溅射(Physical Vapor Deposition,物理气相沉积)源金属,铜合金(Cu Alloy)是理想背板支撑材料。本文采用固相连接方法实现Ta与Cu合金间的大面积(≥148000 mm~2)高强度连接。对Ta和Cu合金进行固相连接工艺进行多方面的探索研究,采用冷压焊和热压焊进行实验,并结合Ta金属表面的处理方式进行研究。实验发现,在Ta金属表面无处理的情况下,冷压焊无法使Ta与CuZn合金之间形成有效的固相连接;真空条件下的热压焊连接效果也不理想,连接效果不良的区域达到85%,但是热压焊的试样中发现边缘局部区域出现有效连接,Ta原子与CuZn原子间出现相互扩散现象。另外,在对Ta金属表面进行处理的条件下,冷压焊也无法使Ta与CuZn合金之间形成有效的固相连接;但是,真空热压焊条件下的固相连接发现,二者母材间出现有效连接,且连接范围面积≥98.5%。由此实验表明,冷压焊条件下,无论Ta金属做表面处理和不做表面处理,固相连接效果都不理想。热压焊条件下,Ta金属即使不做表面处理,在局部区域也获得了有效的固相连接,Ta金属做了表面处理后可以获得超过95%的有效的固相连接。基于高熔点金属优先进行表面处理的原则,研究不同的金属表面处理方式对Ta金属试样的固相连接性能的影响。结果表明,热压焊条件下金属表面处理采用0.45×0.2mm的螺纹方式进行固相连接,连接强度最佳。在连接压力105MPa、连接时间5h及温度550℃条件下Ta-CuZn的连接强度达到140MPa,焊接结合率为100%;Ta-CuCr的连接强度达到110MPa,焊接结合率为100%。研究了热压温度对接头微观组织及力学性能的影响规律,在Ta金属表面处理采用0.45×0.2mm螺纹方式,在450℃~850℃热压温度的范围内选择5种温度进行固相连接试验。结果表明,450℃~650℃条件下,接头断裂均发生在接头区域;在750℃~850℃条件下,Ta-CuZn的连接强度最高(≥330MPa),接头断裂未出现在Ta与CuZn连接界面,而是在Ta母材上出现韧性断裂;Ta-CuCr的连接强度达到235MPa以上,接头断裂虽然还是在接头区域上,但CuCr金属基体已经出现局部韧性断裂。以上说明随着热压温度上升,连接强度越强,甚至连接强度超过基体强度。综上所述,Ta/CuZn、Ta/CuCr的固相连接,在固定压力110MPa、连接时间5h条件下,最佳工艺参数为0.45×0.2 mm表面处理、750℃热压。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG453
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 1 章 绪 论喻为国家的 工业粮食 ，是所有整机设备的 心脏 ，普遍应、网络通信、汽车电子等重大领域，作用举足轻重[1-3]。如血液，那么芯片就是 中国智造 的灵魂，是发展 互联网+显示，自 2013 年开始，我国每年进口的芯片价值超过 2油，成为最大宗的进口产品。而 芯片技术 更是核心中的创新、每一次的发展都引领了半导体工业的高速发展,是衡一个关键性指标、是国外对中国进行关键技术封锁核心内

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文固相连接是解决类似异种金属高强度连接的有效方法，有文献表明[36-相连接方法，可以解决 Ta/Al、Nb/Cu 的连接、可以解决 Ti 合金与铜的互不固溶金属间的高强度固相连接。但固相连接过程中，由于温度选面存在的氧化等因素，连接接头存在缺陷，影响了整个结构的质量，活存在一定的安全隐患。常见的固相连接接头，如图 1-3 所示，有对接接头、楔形接头和钉形形式；固相连接过程中通常采用表面处理的方式去除氧化层、提高固功率。有文献资料表明[41-43]，如图 1-3（c）所示，通过金属表面处理毛刺或凸台）等方式，改变异种金属待连接面接触形式，通过焊钉挤低熔点被焊金属内部，去除低熔点金属表面氧化膜并增大待连接触面种金属间的相互咬合、原子间扩散、化学反应等效应，形成更为有效。

焊金属 A 会产生众多的裂口，而抗变形能力差、塑性性能好的被连断挤入被焊金属 A 产生的裂口中， 新鲜 金属间的不断挤压咬合，效结合的方法。如于九明等人的钢和铝异温轧制复合机理的研究中现象。属键理论：1954 年由 M.s.Burton 提出了金属键理论，认为原子间距时，产生离子反应生成金属键，而形成的异种金属间冶金连接。由原子间作用力（排斥力 FA 和吸引力 FR）与原子间距离的关系可距离足够接近时，以排斥力为主；随着原子间距的增加，排斥力变加；当吸引力和排斥力相等时的原子间距即为平衡间距，此时相互零，原子间最为稳定；当继续增加原子间距，作用力以吸引力为主的平均原子间距时吸引力最大，此后随着原子间距的进一步远离低。原子间距离很大时，原子间的作用力很小，可以忽略不计。故虑，当两个原子间距离达到平衡间距时结合能为零，可以认为原子定的，此时异种原子间的自由电子也相互共有，即形成类似金属键

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本文编号：2772594