金锡合金预成型焊片的制备与AuSn/Cu界面反应研究
发布时间：2020-12-26 18:24
AuSn合金具有优异的抗疲劳性能、耐腐蚀性能、高热导率和免助焊剂等优点,是目前低温钎料中唯一可以替代高熔点铅基合金的无铅钎料,被广泛应用于微电子和光电子器件的陶瓷封盖封装、金属与陶瓷封盖间的绝缘子焊接、芯片贴砖以及大功率激光器半导体芯片的焊接。目前已经投入应用的AuSn合金钎料制备技术,如叠层扩散法、熔铸增韧法等方法存在着合金化不充分,工艺周期长等不足。此外,对于AuSn合金在焊接中与基板间的界面反应研究较少,无法为焊接工艺的优化提供可靠的理论参考。本研究在熔铸拉拔法工艺的基础上,改进熔铸工艺及压延工艺参数,利用真空熔铸工艺制备出的金锡合金预成型焊片。调整原料中Au元素比例与浇铸温度,研究合金铸锭显微组织的变化,以及对合金成分、导电率及熔点的影响;采用不同的压延温度与单道次变形量制备金锡箔带,分析研究压延参数对箔带表面质量及铺展系数等性能的影响;使用扩散焊接技术,制备AuSn/Cu焊点,研究钎料焊接性能,及焊接参数对焊点可靠性的影响,研究焊接温度及保温时间AuSn/Cu之间界面反应速率的影响。结果表明,浇铸温度为400℃,原料中金锡质量比为79:21时真空熔铸、冷模浇铸可以得到具有细小...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
叠层复合法示意图
西安建筑科技大学硕士学位论文91.2.3金锡合金的应用金锡合金良好的使用性能使其被广泛应用于气密封装、光单子封装和激光二极管管芯的粘接中。应用方式主要有焊膏、焊球和金锡合金预成型焊片。陶瓷部件具有金属件无法达到的一些物理性能，因此气密封装产品中需要将一部分电子元件焊接在陶瓷部件上。如图1.2所示[4]，将热膨胀系数较低的有源器件芯片和低膨胀系数的基板焊接在陶瓷外壳内，基板的材质为陶瓷基板。有源器件和基板间的连接可以选用冲压成型的金锡合金预成型焊片，厚度大约为25μm。陶瓷外壳与密封用的金属盖板或玻璃盖板也需要焊接到一起，可以选用25μm厚的金锡合金预成型焊片[42]。对于气密封装中引线绝缘子的焊接也需要用到金锡合金钎料[43]。绝缘体的材料采用高强度的陶瓷，要求钎焊材料具有良好的抗腐蚀性能、良好的铺展性和较好的力学性能等，可以保证其箔带材还可以保持表面质量以及良好的焊接性能。金锡合金焊片可以直接在焊接中直接使用，焊片表面平整清洁、无氧化物等特点，适宜于上述应用条件[44]。图1.2微电子封装金锡合金钎料在光电子封装领域的应用也很广泛。金锡合金极强的填缝能力可以保证焊接后元器件与基体间的空隙率保持在极小的数值，焊点可靠性高，可以防止器件与基体间发生短路情况。如图1.3所示，高功率激光二极管(LD)的组装需要使用管芯粘接技术，激光二极管与基体之间的焊接需要使用金锡合金预成型焊片[45]。由于激光二极管的发光性能随着温度的升高而急剧降低，因此能否将产生的热量及时散去对激光二极管的发光效率十分重要[46]。金锡合金钎料具有优异的热导率，可以满足激光二极管所需的散热效率，保证二极管的发光效率。另外，较高的杨氏模量保证了焊点的抗弯性能，提高了焊点的可靠性[47]
西安建筑科技大学硕士学位论文10图1.3激光二极管组装金锡合金钎料在微波系统的组装、倒装芯片的焊接和其它领域中也有广泛的应用。未来随着电子工业和光电子行业的发展，金锡合金钎料的应用将更加广泛和重要。1.3研究目的及意义AuSn合金钎料作为锡铅钎料在低温钎焊领域的替代品，在电子封装工业中的应用十分广泛，但目前国内的AuSn合金制造产业在工艺流程、工艺参数设置以及成本控制上仍存在很多问题亟待解决。研究金锡共晶焊片制备对国家电子行业的快速高效的发展和电子材料的国产化进程具有重要意义。在对比几种主要的金锡合金制备工艺后，不难发现目前的这些制备工艺都存在一些需要改进的缺点。为了制备出成分精确、形状完整、焊接性能优良的金锡合金钎料，需要重新设计出一套方法可行的方案，并且工艺成本需要进一步的降低。1.4研究内容随着电子工业的不断发展和元器件小型化的趋势，对焊点的可靠性提出了更高的要求。金锡合金钎料的制备技术、焊接工艺以及焊点界面反应的研究仍然是目前的热点内容。本文主要的研究内容如下:（1）真空感应熔铸制备金锡合金的工艺的研究。（2）压延工艺参数对合金箔带材表面质量及成分稳定性影响的研究。（3）金锡合金焊接性能的研究。探讨焊点在剪切力作用下的失效原因，分析影响焊点可靠性的因素，为金锡钎料的实际应用提供参考。
【参考文献】：
期刊论文
[1]机械合金化制备Ag-Cu-Sn钎料的组织和热稳定性[J]. 刘薇,范仲华,王晓蓉,余丁坤,陈融,沈杭燕,郭驾宇,郭冰,何鹏. 材料科学与工程学报. 2017(04)
[2]电阻点焊焊点断裂原因分析[J]. 李晶,杨耀东,荣健. 金属加工(热加工). 2017(16)
[3]温度与应变速率对Invar 36合金变形行为的影响[J]. 李细锋,陈楠楠,李佼佼,何雪婷,刘红兵,郑兴伟,陈军. 金属学报. 2017(08)
[4]电子封装中Au80Sn20焊料与镀层之间的相互作用及组织演变[J]. 吴娜,李孝轩,胡永芳. 电子机械工程. 2015(04)
[5]高功率二极管激光器Au80Sn20焊料焊接实验研究[J]. 王昭,吕文强,谭昊,高松信,武德勇. 激光与红外. 2015(07)
[6]影响Cu-Sn合金电阻率的因素[J]. 王宥宏,马健凯,杨雨潭,张俊婷,李秋书. 材料导报. 2014(S1)
[7]高低温熔体混合对Au-20Sn共晶合金凝固组织的影响[J]. 郭德燕,宋佳佳,蔡亮,毛勇. 金属学报. 2012(11)
[8]AuSn合金在电子封装中的应用及研究进展[J]. 李金龙,谈侃侃,张志红,胡琼,罗俊,李双江. 微电子学. 2012(04)
[9]Microstructural evolutions of Cu(Ni)/AuSn/Ni joints during reflow[J]. Xiao-feng WEI,Ri-chu WANG,Chao-qun PENG,Yan FENG,Xue-wei ZHU School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China. Progress in Natural Science:Materials International. 2011(04)
[10]真空熔炼直接定向凝固制备99.999%高纯铜大铸锭[J]. 付亚波,陈洁,刘宁,罗大伟,卢一平,李廷举,殷国茂. 稀有金属材料与工程. 2011(S2)
硕士论文
[1]金锡共晶合金热压缩变形行为和加工性能的研究[D]. 张伟.云南大学 2014
本文编号：2940229
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
叠层复合法示意图
西安建筑科技大学硕士学位论文91.2.3金锡合金的应用金锡合金良好的使用性能使其被广泛应用于气密封装、光单子封装和激光二极管管芯的粘接中。应用方式主要有焊膏、焊球和金锡合金预成型焊片。陶瓷部件具有金属件无法达到的一些物理性能，因此气密封装产品中需要将一部分电子元件焊接在陶瓷部件上。如图1.2所示[4]，将热膨胀系数较低的有源器件芯片和低膨胀系数的基板焊接在陶瓷外壳内，基板的材质为陶瓷基板。有源器件和基板间的连接可以选用冲压成型的金锡合金预成型焊片，厚度大约为25μm。陶瓷外壳与密封用的金属盖板或玻璃盖板也需要焊接到一起，可以选用25μm厚的金锡合金预成型焊片[42]。对于气密封装中引线绝缘子的焊接也需要用到金锡合金钎料[43]。绝缘体的材料采用高强度的陶瓷，要求钎焊材料具有良好的抗腐蚀性能、良好的铺展性和较好的力学性能等，可以保证其箔带材还可以保持表面质量以及良好的焊接性能。金锡合金焊片可以直接在焊接中直接使用，焊片表面平整清洁、无氧化物等特点，适宜于上述应用条件[44]。图1.2微电子封装金锡合金钎料在光电子封装领域的应用也很广泛。金锡合金极强的填缝能力可以保证焊接后元器件与基体间的空隙率保持在极小的数值，焊点可靠性高，可以防止器件与基体间发生短路情况。如图1.3所示，高功率激光二极管(LD)的组装需要使用管芯粘接技术，激光二极管与基体之间的焊接需要使用金锡合金预成型焊片[45]。由于激光二极管的发光性能随着温度的升高而急剧降低，因此能否将产生的热量及时散去对激光二极管的发光效率十分重要[46]。金锡合金钎料具有优异的热导率，可以满足激光二极管所需的散热效率，保证二极管的发光效率。另外，较高的杨氏模量保证了焊点的抗弯性能，提高了焊点的可靠性[47]
西安建筑科技大学硕士学位论文10图1.3激光二极管组装金锡合金钎料在微波系统的组装、倒装芯片的焊接和其它领域中也有广泛的应用。未来随着电子工业和光电子行业的发展，金锡合金钎料的应用将更加广泛和重要。1.3研究目的及意义AuSn合金钎料作为锡铅钎料在低温钎焊领域的替代品，在电子封装工业中的应用十分广泛，但目前国内的AuSn合金制造产业在工艺流程、工艺参数设置以及成本控制上仍存在很多问题亟待解决。研究金锡共晶焊片制备对国家电子行业的快速高效的发展和电子材料的国产化进程具有重要意义。在对比几种主要的金锡合金制备工艺后，不难发现目前的这些制备工艺都存在一些需要改进的缺点。为了制备出成分精确、形状完整、焊接性能优良的金锡合金钎料，需要重新设计出一套方法可行的方案，并且工艺成本需要进一步的降低。1.4研究内容随着电子工业的不断发展和元器件小型化的趋势，对焊点的可靠性提出了更高的要求。金锡合金钎料的制备技术、焊接工艺以及焊点界面反应的研究仍然是目前的热点内容。本文主要的研究内容如下:（1）真空感应熔铸制备金锡合金的工艺的研究。（2）压延工艺参数对合金箔带材表面质量及成分稳定性影响的研究。（3）金锡合金焊接性能的研究。探讨焊点在剪切力作用下的失效原因，分析影响焊点可靠性的因素，为金锡钎料的实际应用提供参考。
【参考文献】：
期刊论文
[1]机械合金化制备Ag-Cu-Sn钎料的组织和热稳定性[J]. 刘薇,范仲华,王晓蓉,余丁坤,陈融,沈杭燕,郭驾宇,郭冰,何鹏. 材料科学与工程学报. 2017(04)
[2]电阻点焊焊点断裂原因分析[J]. 李晶,杨耀东,荣健. 金属加工(热加工). 2017(16)
[3]温度与应变速率对Invar 36合金变形行为的影响[J]. 李细锋,陈楠楠,李佼佼,何雪婷,刘红兵,郑兴伟,陈军. 金属学报. 2017(08)
[4]电子封装中Au80Sn20焊料与镀层之间的相互作用及组织演变[J]. 吴娜,李孝轩,胡永芳. 电子机械工程. 2015(04)
[5]高功率二极管激光器Au80Sn20焊料焊接实验研究[J]. 王昭,吕文强,谭昊,高松信,武德勇. 激光与红外. 2015(07)
[6]影响Cu-Sn合金电阻率的因素[J]. 王宥宏,马健凯,杨雨潭,张俊婷,李秋书. 材料导报. 2014(S1)
[7]高低温熔体混合对Au-20Sn共晶合金凝固组织的影响[J]. 郭德燕,宋佳佳,蔡亮,毛勇. 金属学报. 2012(11)
[8]AuSn合金在电子封装中的应用及研究进展[J]. 李金龙,谈侃侃,张志红,胡琼,罗俊,李双江. 微电子学. 2012(04)
[9]Microstructural evolutions of Cu(Ni)/AuSn/Ni joints during reflow[J]. Xiao-feng WEI,Ri-chu WANG,Chao-qun PENG,Yan FENG,Xue-wei ZHU School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China. Progress in Natural Science:Materials International. 2011(04)
[10]真空熔炼直接定向凝固制备99.999%高纯铜大铸锭[J]. 付亚波,陈洁,刘宁,罗大伟,卢一平,李廷举,殷国茂. 稀有金属材料与工程. 2011(S2)
硕士论文
[1]金锡共晶合金热压缩变形行为和加工性能的研究[D]. 张伟.云南大学 2014
本文编号：2940229
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