基于超声的Sn基复合钎料冶金机理及性能研究
发布时间：2021-06-14 13:08
随着半导体行业的迅速发展,大功率小型化和高集成度已成为芯片势不可挡的发展潮流,且应用于航空航天、汽车电子及人工智能等领域的芯片的服役环境也越来越苛刻,因此对芯片提出了越来越高的高温稳定性要求。对于当前广泛使用的Sn基钎料,若采用瞬态液相焊的方法获得高熔点接头是非常耗时的过程。因此,急需一种成本较低的钎料以及兼容性好的匹配工艺,以实现高效制备耐高温接头的目标。本文设计了一系列含有不同比例的大颗粒Cu、小颗粒Cu和Sn颗粒的复合钎料。研究结果表明,对于含有40 wt.%Cu的复合钎料,采用超声辅助瞬态液相焊的方法在250℃温度下超声加载10 s后,成功制备了含有少量Cu残余的Cu3Sn金属间化合物接头,该接头的常温剪切强度可达49.96 MPa;对于含有40 wt.%大小颗粒混合Cu的复合钎料,其全Cu3Sn焊点接头在350℃高温下的剪切强度可达46.64 MPa,且其接头整体（包括上下Cu基底和钎缝）的热导率为258.2 W/m·K,具有较大的高温应用前景。在超声辅助瞬态液相焊的工艺下,能够在10 s的时间高效获得耐高温接头的主要机理如下:首先...
【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】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
40℃下的接头组织
图 1-2 实验过程示意图[22]a）组装前的 Sn 箔和多孔 Cu 预制片；b）样品的组装；c）液态 Sn 的流动将多孔 Cu 层填缝致密化；d）通过 Cu/Sn 扩散反应形成 Cu+Cu-Sn 金属间化合物互连焊点实验结果发现（图 1-3），在 250℃下反应 1 分钟后，颗粒之间的间隙完全由两个界面处的液体 Sn 填充，导致微结构的显着致密化；当反应 5 分钟后，微结构没有显着变化，但是在 Cu 颗粒的表面上形成薄的 Cu3Sn 层；当反应时间延长至 20 分钟后，间隙中或沿界面区域的熔融 Sn 被完全消耗，并且扇形 Cu6Sn5层与界面 Ag3Sn 层接触（Ag 元素来自基底的镀层）,Cu3Sn 金属间化合物的生长以 Cu6Sn5金属间化合物和 Cu 的消耗为代价；当反应增加至 45 分钟后，微结构没有明显变化，而 Cu3Sn 层继续生长。当反应温度为 300 ℃时，各种反应时间的获得的接头的显微形貌组织的演变类似于 250 ℃下的键合过程，而 Cu3Sn 层由于更快的元素扩散而显着增厚。同时，较为密集的白色 Ag3Sn 相分布在 Cu-Sn 金属间化合物中，这是因为基板上的 Ag 原子溶解到熔融的 Sn 中并沿着间隙用流体扩散，最后它们随着液体的消耗而沉淀为 Ag3Sn 颗粒。
图 1-3 不同温度和不同时间下获得的接头的微观组织[22]a）250 ℃，1 min；b）250 ℃，5 min；c）250 ℃，20 min；d）250 ℃，45 min；e）300 ℃，20 min；f）300 ℃，45 minFeng 等人[23]研究了 Cu/Sn/Cu 互连系统在 260℃和 300℃下施加电流密度为1.0×102A/cm2和 2.0×102A/cm2时 Cu6Sn5金属间化合物的形貌演变和力学性能。研究发现，Cu6Sn5金属间化合物在无电流瞬态液相焊的接头处对称生长，但在固液电迁移（Solid-Liquid Electromigration, S-L EM）的情况下，显示出明显的极性回流效应。相比之下，Cu3Sn 金属间化合物的生长几乎不受电流的影响。在升高的电流密度和温度下，长时间反应后Cu6Sn5晶粒表面出现细胞结构；而在固液电迁移效果下，阴极 Cu6Sn5金属间化合物几乎不生长，而阳极 Cu6Sn金属间化合物随时间呈线性关系而生长。阳极 Cu6Sn5在 260℃下在 1.0×10A/cm2下的生长速率为 0.107 μm/min，当电流密度增加到 2.0×102A/cm2时，阳极 Cu6Sn5金属间化合物的生长速率增加到 0.212 μm/min。Yin 等人[24]将 10 μm 的 Sn 箔作为中间钎料层，采用感应加热的方法最终加热至 500 ℃以上，对 Cu/Sn/Cu 系统的组织展开研究。研究结果表明，在初始阶段，上下 Cu 基板上形成扇贝状的 Cu6Sn5相，且在 Cu6Sn5相和 Cu3Sn 相之间形
本文编号：3229896
【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】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
40℃下的接头组织
图 1-2 实验过程示意图[22]a）组装前的 Sn 箔和多孔 Cu 预制片；b）样品的组装；c）液态 Sn 的流动将多孔 Cu 层填缝致密化；d）通过 Cu/Sn 扩散反应形成 Cu+Cu-Sn 金属间化合物互连焊点实验结果发现（图 1-3），在 250℃下反应 1 分钟后，颗粒之间的间隙完全由两个界面处的液体 Sn 填充，导致微结构的显着致密化；当反应 5 分钟后，微结构没有显着变化，但是在 Cu 颗粒的表面上形成薄的 Cu3Sn 层；当反应时间延长至 20 分钟后，间隙中或沿界面区域的熔融 Sn 被完全消耗，并且扇形 Cu6Sn5层与界面 Ag3Sn 层接触（Ag 元素来自基底的镀层）,Cu3Sn 金属间化合物的生长以 Cu6Sn5金属间化合物和 Cu 的消耗为代价；当反应增加至 45 分钟后，微结构没有明显变化，而 Cu3Sn 层继续生长。当反应温度为 300 ℃时，各种反应时间的获得的接头的显微形貌组织的演变类似于 250 ℃下的键合过程，而 Cu3Sn 层由于更快的元素扩散而显着增厚。同时，较为密集的白色 Ag3Sn 相分布在 Cu-Sn 金属间化合物中，这是因为基板上的 Ag 原子溶解到熔融的 Sn 中并沿着间隙用流体扩散，最后它们随着液体的消耗而沉淀为 Ag3Sn 颗粒。
图 1-3 不同温度和不同时间下获得的接头的微观组织[22]a）250 ℃，1 min；b）250 ℃，5 min；c）250 ℃，20 min；d）250 ℃，45 min；e）300 ℃，20 min；f）300 ℃，45 minFeng 等人[23]研究了 Cu/Sn/Cu 互连系统在 260℃和 300℃下施加电流密度为1.0×102A/cm2和 2.0×102A/cm2时 Cu6Sn5金属间化合物的形貌演变和力学性能。研究发现，Cu6Sn5金属间化合物在无电流瞬态液相焊的接头处对称生长，但在固液电迁移（Solid-Liquid Electromigration, S-L EM）的情况下，显示出明显的极性回流效应。相比之下，Cu3Sn 金属间化合物的生长几乎不受电流的影响。在升高的电流密度和温度下，长时间反应后Cu6Sn5晶粒表面出现细胞结构；而在固液电迁移效果下，阴极 Cu6Sn5金属间化合物几乎不生长，而阳极 Cu6Sn金属间化合物随时间呈线性关系而生长。阳极 Cu6Sn5在 260℃下在 1.0×10A/cm2下的生长速率为 0.107 μm/min，当电流密度增加到 2.0×102A/cm2时，阳极 Cu6Sn5金属间化合物的生长速率增加到 0.212 μm/min。Yin 等人[24]将 10 μm 的 Sn 箔作为中间钎料层，采用感应加热的方法最终加热至 500 ℃以上，对 Cu/Sn/Cu 系统的组织展开研究。研究结果表明，在初始阶段，上下 Cu 基板上形成扇贝状的 Cu6Sn5相，且在 Cu6Sn5相和 Cu3Sn 相之间形
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