Cu/In体系低温瞬态液相键合工艺及其机理的研究
发布时间：2021-01-17 00:52
随着以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料迅速发展和应用,以其为基础制备的功率器件具有耐高温性能,能在大于300℃℃或更高的温度环境下服役。而传统的封装技术和连接材料已经越来越不能满足大功率高温芯片的连接和封装的要求。低温瞬态液相（TLP）连接技术作为一种工艺简单、成本低的低温焊接技术,可应用于高温功率器件的封装互连。In不仅具有良好导电导热性能,且熔点较低（156℃）,能在较低的温度下与Cu冶金反应生成高熔点的IMC组织。因而,采用以In作为连接材料的TLP键合工艺来实现对Cu基板的连接,形成应用于高温环境下的耐热焊点具有很广阔的应用前景。本文采用TLP键合工艺分别制备了 Cu/In/Cu、Cu/In-xCu/Cu以及含不同尺寸Cu颗粒的Cu/In-45Cu/Cu焊点结构。在此基础中,对TLP键合工艺参数进行优化,并对焊点界面冶金反应、微观组织形貌和剪切性能及断口进行了分析研究。采用TLP键合工艺完成了以In薄片为连接材料Cu/In/Cu焊点的连接,研究了不同键合工艺对Cu/In/Cu焊点组织的影响。结果表明:适合制备Cu/In/Cu焊点的最佳键合工艺参数为:键合压力0.10...
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?ＳＬＩＤ的连接过程示意图??
中在中间位置。而通过丁０５对（：１１／５１１－７０八§／（：１１焊点进行连接时，仅需要６〇１＾１１??就获得了连接质量较好的焊点，其剪切强度达到了?７２．５?ＭＰａ。与Ｃｕ／Ｓｎ／Ｃｕ焊点??不同的是，孔洞随机分布在整个焊点组织中。相比之下，Ｓｎ－Ａｇ混合颗粒在连接??效率和力学性能上比Ｓｎ箔作为连接材料具有更多的优势。??高熔点■高熔点金??金属？?‘镄關粒、？？鲁??馨？?＿參高熔？??低熔点点ｉｍｃ??（ａ）装配?（ｂ）等温键合??属连接?５??（ｃ）键合芫成??图１－３?ＴＬＰ的键合工艺原理示意图??邵等通过ＴＬＰ基于Ｓｎ－Ａｇ复合颗粒焊料对Ｃｕ／Ａｇ异种基板进行连接，发现??Ａｇ含量对焊点的组织和力学性能有较大的影响。焊点组织主要由三个区域组成，??分别为Ｃｕ基板界面处的扩散反应区、混合颗粒的原位反应区和Ａｇ基板界面处的??扩散反应区。随着Ａｇ含量增加，Ｃｕ基板和Ａｇ基板的界面扩散反应区ＩＭＣ层??厚度逐渐减小，残留的Ｓｎ逐渐减少，焊点组织变得致密，焊点的剪切强度逐渐增??大。当Ａｇ含量增加至７０ｗｔ．?％时，基板的界面扩散区组织出现不连续的现象，且??焊点中随机分布的孔洞逐渐增多，焊点的剪切强度开始下降。可以总结出，采用??ＴＬＰ工艺缩短了工艺时间，且不需要在芯片表面沉积金属就能进行连接以混合颗??粒为连接材料的ＴＬＰ工艺不需要在真空或气体保护环境下进行连接，具有工艺方??便，成本低的优点［４８＿４９１。同时，在制备混合颗粒焊膏时必须严格控制高熔点金属颗??粒的含量。当含量过少时会导致强度较低颗粒反应充分，当含量过高时可能会引起??孔洞的大量出现和过薄的界面扩散反应区而不能形成有效的连接。??
的探宄上。综上所述，可以看出对ＴＬＰ焊点力学性能的研究还主要集中在Ｃｕ－??Ｓｎ体系，对Ｃｕ－Ｉｎ力学性能的研究很少见，并且组织对力学性能的影响也没有深??入的研究，对断口也只是进行了有限的分析，因此对Ｃｕ－Ｉｎ体系力学性能进行深??入研宄对完善ＴＬＰ键合体系具有重要意义。??１．４?Ｃｕ／ｌｎ体系ＴＬＰ键合工艺??Ｉｎ因其较低熔点、良好抗疲劳性能、延展性能及导电性能被广泛应用于电子??计算机、电子光电、国防军事、航空航天以及现代信息产业等高科技领域。从Ｃｕ－??Ｉｎ二元合金相图（图１－４）可知，Ｉｎ的熔点为１５６．６?°Ｃ，比Ｓｎ的熔点（２３１．８９?°Ｃ）??低，较低的熔点不仅有利于在较低温度下进行连接，还可降低对功率器件造成热损??伤。在常温下有三种ＩＭＣ相能稳定存在，分别为Ｃｍｌｍ、Ｃｍｌｎ以及Ｃｕｕｌｒｗ，其??中Ｃｉｎｌｍ、Ｃｕ２Ｉｎ相的熔点达到６３０?°Ｃ以上。Ｉｎ的这些特点为ＴＬＰ键合工艺制备出??高连接质量的焊点提供了可能。??１１００ｒ?——￣—???????＿■－?—?＾???■???１〇〇〇?＼?＇、??９００?？?＼、．＼??８００?＼?＼??．．．?＼?Ｘ．?６３１?ｖ??７００?ＫＣ＿Ａ１?Ｎ?Ｔ－，、??Ｃｕ?Ｉｎ??６００?？?????５００?－?Ｊ?？??４００?■／?ＣＵ，ｎ?＼?■??／?３０７?Ｉ：?＼??３００?，?￣＾?Ｖ??２００????Ｖ??Ｃｉ２ｌｎ??Ｘ??１００?＿????１?————??０?０１?０２?０．３?０４?０５?０６?０．７?０８?０９?１??Ｃｏｎｔｅｎｔ
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温烧结纳米铜焊膏的制备及其连接性能分析[J]. 杨婉春,王帅,祝温泊,魏军,李明雨. 焊接学报. 2018(06)
[2]Ni-Cu低温TLP扩散连接接头组织及性能[J]. 董红杰,赵洪运,宋晓国,冯吉才,李卓霖. 焊接学报. 2017(10)
[3]Sn-Ag复合粉末低温过渡液相连接Cu/Ag异基金属[J]. 邵华凯,吴爱萍,包育典. 焊接学报. 2017(10)
[4]采用纳米银焊膏烧结互连技术的中高压IGBT模块及其性能表征[J]. 梅云辉,冯晶晶,王晓敏,陆国权,张朋,林仲康. 高电压技术. 2017(10)
[5]Cu-Sn体系LTTLP连接接头强度与断口分析[J]. 邵华凯,吴爱萍,邹贵生. 焊接学报. 2017(03)
[6]等温时效对小间隙Cu/Sn/Cu焊点组织及性能影响[J]. 刘恒林,卫国强,李达磊. 特种铸造及有色合金. 2017(03)
[7]新一代功率芯片耐高温封装连接国内外发展评述[J]. 冯洪亮,黄继华,陈树海,赵兴科. 焊接学报. 2016(01)
[8]Sn/Cu互连体系界面和金属间化合物层Kirkendall空洞演化和生长动力学的晶体相场法模拟[J]. 马文婧,柯常波,周敏波,梁水保,张新平. 金属学报. 2015(07)
[9]纳米Ag膏及其用于高温电子封装的低温烧结连接技术与机理[J]. 机械工程学报. 2014(24)
[10]纳米银与纳米铜混合焊膏用于电子封装低温烧结连接[J]. 张颖川,闫剑锋,邹贵生,白海林,刘磊,闫久春,ZHOU Yunhong. 焊接学报. 2013(08)
博士论文
[1]Cu-Sn互连界面的尺寸效应及微力学特性[D]. 陈志文.华中科技大学 2015
[2]锡基钎料与多晶铜焊盘界面反应行为研究[D]. 杨明.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]超声辅助Sn基钎料快速反应形成全化合物接头原理的研究[D]. 李明刚.哈尔滨工业大学 2017
[2]Cu/Sn/Ni体系瞬态液相软钎焊工艺及互连机理研究[D]. 董红杰.哈尔滨工业大学 2016
[3]电路板上组装焊点贮存失效机理研究[D]. 付明亮.哈尔滨工业大学 2014
[4]三维封装芯片Cu-In体系固液互扩散低温键合机理研究[D]. 王宁.哈尔滨工业大学 2012
[5]无铅焊点低温超声互连的机理及可靠性研究[D]. 李卓霖.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：2981871
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?ＳＬＩＤ的连接过程示意图??
中在中间位置。而通过丁０５对（：１１／５１１－７０八§／（：１１焊点进行连接时，仅需要６〇１＾１１??就获得了连接质量较好的焊点，其剪切强度达到了?７２．５?ＭＰａ。与Ｃｕ／Ｓｎ／Ｃｕ焊点??不同的是，孔洞随机分布在整个焊点组织中。相比之下，Ｓｎ－Ａｇ混合颗粒在连接??效率和力学性能上比Ｓｎ箔作为连接材料具有更多的优势。??高熔点■高熔点金??金属？?‘镄關粒、？？鲁??馨？?＿參高熔？??低熔点点ｉｍｃ??（ａ）装配?（ｂ）等温键合??属连接?５??（ｃ）键合芫成??图１－３?ＴＬＰ的键合工艺原理示意图??邵等通过ＴＬＰ基于Ｓｎ－Ａｇ复合颗粒焊料对Ｃｕ／Ａｇ异种基板进行连接，发现??Ａｇ含量对焊点的组织和力学性能有较大的影响。焊点组织主要由三个区域组成，??分别为Ｃｕ基板界面处的扩散反应区、混合颗粒的原位反应区和Ａｇ基板界面处的??扩散反应区。随着Ａｇ含量增加，Ｃｕ基板和Ａｇ基板的界面扩散反应区ＩＭＣ层??厚度逐渐减小，残留的Ｓｎ逐渐减少，焊点组织变得致密，焊点的剪切强度逐渐增??大。当Ａｇ含量增加至７０ｗｔ．?％时，基板的界面扩散区组织出现不连续的现象，且??焊点中随机分布的孔洞逐渐增多，焊点的剪切强度开始下降。可以总结出，采用??ＴＬＰ工艺缩短了工艺时间，且不需要在芯片表面沉积金属就能进行连接以混合颗??粒为连接材料的ＴＬＰ工艺不需要在真空或气体保护环境下进行连接，具有工艺方??便，成本低的优点［４８＿４９１。同时，在制备混合颗粒焊膏时必须严格控制高熔点金属颗??粒的含量。当含量过少时会导致强度较低颗粒反应充分，当含量过高时可能会引起??孔洞的大量出现和过薄的界面扩散反应区而不能形成有效的连接。??
的探宄上。综上所述，可以看出对ＴＬＰ焊点力学性能的研究还主要集中在Ｃｕ－??Ｓｎ体系，对Ｃｕ－Ｉｎ力学性能的研究很少见，并且组织对力学性能的影响也没有深??入的研究，对断口也只是进行了有限的分析，因此对Ｃｕ－Ｉｎ体系力学性能进行深??入研宄对完善ＴＬＰ键合体系具有重要意义。??１．４?Ｃｕ／ｌｎ体系ＴＬＰ键合工艺??Ｉｎ因其较低熔点、良好抗疲劳性能、延展性能及导电性能被广泛应用于电子??计算机、电子光电、国防军事、航空航天以及现代信息产业等高科技领域。从Ｃｕ－??Ｉｎ二元合金相图（图１－４）可知，Ｉｎ的熔点为１５６．６?°Ｃ，比Ｓｎ的熔点（２３１．８９?°Ｃ）??低，较低的熔点不仅有利于在较低温度下进行连接，还可降低对功率器件造成热损??伤。在常温下有三种ＩＭＣ相能稳定存在，分别为Ｃｍｌｍ、Ｃｍｌｎ以及Ｃｕｕｌｒｗ，其??中Ｃｉｎｌｍ、Ｃｕ２Ｉｎ相的熔点达到６３０?°Ｃ以上。Ｉｎ的这些特点为ＴＬＰ键合工艺制备出??高连接质量的焊点提供了可能。??１１００ｒ?——￣—???????＿■－?—?＾???■???１〇〇〇?＼?＇、??９００?？?＼、．＼??８００?＼?＼??．．．?＼?Ｘ．?６３１?ｖ??７００?ＫＣ＿Ａ１?Ｎ?Ｔ－，、??Ｃｕ?Ｉｎ??６００?？?????５００?－?Ｊ?？??４００?■／?ＣＵ，ｎ?＼?■??／?３０７?Ｉ：?＼??３００?，?￣＾?Ｖ??２００????Ｖ??Ｃｉ２ｌｎ??Ｘ??１００?＿????１?————??０?０１?０２?０．３?０４?０５?０６?０．７?０８?０９?１??Ｃｏｎｔｅｎｔ
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温烧结纳米铜焊膏的制备及其连接性能分析[J]. 杨婉春,王帅,祝温泊,魏军,李明雨. 焊接学报. 2018(06)
[2]Ni-Cu低温TLP扩散连接接头组织及性能[J]. 董红杰,赵洪运,宋晓国,冯吉才,李卓霖. 焊接学报. 2017(10)
[3]Sn-Ag复合粉末低温过渡液相连接Cu/Ag异基金属[J]. 邵华凯,吴爱萍,包育典. 焊接学报. 2017(10)
[4]采用纳米银焊膏烧结互连技术的中高压IGBT模块及其性能表征[J]. 梅云辉,冯晶晶,王晓敏,陆国权,张朋,林仲康. 高电压技术. 2017(10)
[5]Cu-Sn体系LTTLP连接接头强度与断口分析[J]. 邵华凯,吴爱萍,邹贵生. 焊接学报. 2017(03)
[6]等温时效对小间隙Cu/Sn/Cu焊点组织及性能影响[J]. 刘恒林,卫国强,李达磊. 特种铸造及有色合金. 2017(03)
[7]新一代功率芯片耐高温封装连接国内外发展评述[J]. 冯洪亮,黄继华,陈树海,赵兴科. 焊接学报. 2016(01)
[8]Sn/Cu互连体系界面和金属间化合物层Kirkendall空洞演化和生长动力学的晶体相场法模拟[J]. 马文婧,柯常波,周敏波,梁水保,张新平. 金属学报. 2015(07)
[9]纳米Ag膏及其用于高温电子封装的低温烧结连接技术与机理[J]. 机械工程学报. 2014(24)
[10]纳米银与纳米铜混合焊膏用于电子封装低温烧结连接[J]. 张颖川,闫剑锋,邹贵生,白海林,刘磊,闫久春,ZHOU Yunhong. 焊接学报. 2013(08)
博士论文
[1]Cu-Sn互连界面的尺寸效应及微力学特性[D]. 陈志文.华中科技大学 2015
[2]锡基钎料与多晶铜焊盘界面反应行为研究[D]. 杨明.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]超声辅助Sn基钎料快速反应形成全化合物接头原理的研究[D]. 李明刚.哈尔滨工业大学 2017
[2]Cu/Sn/Ni体系瞬态液相软钎焊工艺及互连机理研究[D]. 董红杰.哈尔滨工业大学 2016
[3]电路板上组装焊点贮存失效机理研究[D]. 付明亮.哈尔滨工业大学 2014
[4]三维封装芯片Cu-In体系固液互扩散低温键合机理研究[D]. 王宁.哈尔滨工业大学 2012
[5]无铅焊点低温超声互连的机理及可靠性研究[D]. 李卓霖.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：2981871
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