Sn-Sb基复合耐高温钎料制作工艺及性能研究

发布时间：2020-05-10 19:34

【摘要】：第三代半导体材料的服役条件更加严峻,对器件中互连材料也提出了更高的要求。为了满足高温环境下高功率性能的稳定性,必然需要使用高温钎料。互连材料与芯片的晶体结构、晶格常数、热膨胀系数及高温稳定性严重影响器件的可靠性,高导热陶瓷材料作为第三代半导体常用的基板材料,其在工程中是硬度最高刚度最好的材料,为了钎料与基板材料匹配度高,连接强度好,必然需要提高钎料的力学性能。纳米材料因其优越的物理性能被应用于各行各业,为了提高钎料的力学性能,本文通过两种制作工艺制备Sn-5Sb-nano Cu复合钎料。一种是通过机械搅拌的方法将其制备成Sn-5Sbnano Cu复合焊膏,另一种是通过热压烧结工艺制备成Sn-5Sb-nano Cu复合焊片。并对两种工艺条件下复合钎料的微观组织分析研究,对其润湿性能、剪切性能以及显微硬度测试分析,探究纳米Cu颗粒对其性能的影响。研究结果表明:焊膏制作工艺下,在Sn-5Sb中添加纳米Cu颗粒后,复合钎料在加热温度达到Sn的熔点以上时,纳米Cu颗粒与Sn反应生成微小的Cu6Sn5化合物,其可以作为异质形核质点弥散分布在基体钎料中,细化焊点体钎料微观组织,而且随着纳米颗粒添加细化效果更显著。添加纳米Cu颗粒使得复合钎料的润湿性能下降,当添加量为1.0 wt%时,润湿性下降了13.4%,此时达到最低。在焊膏制作工艺下,添加纳米Cu颗粒可以抑制界面IMC的生长,随着添加量的增加,抑制效果越显著,但对其形貌基本无影响。这是由于纳米Cu颗粒具有高的表面能,根据吸附理论,纳米颗粒容易被吸附在界面IMC层的上表面,导致界面IMC层的表面能降低,增强晶面的稳定性,从而使界面IMC生长速率减小。对Sn-5Sb-nano Cu复合焊膏力学性能测试发现:焊点体钎料的显微硬度随着纳米Cu颗粒含量增加呈现先上升再下降的趋势,在添加量为0.1 wt%时,硬度达到最大为207.3 MPa,而Sn-5Sb/Cu焊点体钎料的显微硬度为162.7 Mpa,提高了27.4%。当添加量为1.0 wt%时,仅为183.9 Mpa。对焊接接头的剪切强度测试得知,剪切强度同样是先上升再下降,在纳米Cu含量为0.3 wt%时,剪切强度提高了13.8%;但当添加量为1.0 wt%时,剪切强度下降明显,下降了5.1%。分析为添加纳米颗粒由于其细晶强化和弥散强化的共同作用下,使得焊点力学性能一定程度提高。同时由于添加纳米颗粒导致焊点中气孔数量的增加,气孔作为应力集中点,裂纹发展的潜在区域,严重影响了焊点力学性能,导致焊点力学性急剧下降。在烧结制作工艺下,Sn-5Sb-nano Cu钎料烧结工艺参数确定为烧结压力20 Mpa、烧结温度180℃、保温时间60 min。对烧结后的复合钎料片进行微观组织观察,可以观察到烧结后仍然存在不可避免的微裂纹。在微观组织中有弥散分布的化合物,分析为添加的纳米Cu颗粒在烧结后完全反应生成Cu-Sn化合物,纳米颗粒并不是以纯金属的形式存在。分析在烧结制作工艺下,纳米Cu颗粒对Sn-5Sb基体钎料润湿性能的影响,结果润湿角大幅增加,即钎料润湿性能下降明显。对焊后焊点界面IMC的厚度测量得知,添加纳米颗粒对焊点界面IMC厚度无影响。分析为纳米颗粒在烧结后已经完全反应生成了Cu-Sn的化合物,所以在焊接过程中难以发挥其纳米颗粒的优良性能。
【图文】：

微观组织,钎料合金,钎料

Dele-Afolabi[16]等在 Sn-5Sb 中添加 CNTs，发现 CNTs 可以有效制界面 IMC 的生长，延缓界面 IMC 的生长速度。Esfandyarpour 等发现 Bu 可以提高 Sn-5Sb 钎料合金的拉伸性能，细化钎料组织。闫焉服等[17]研究并发表了一项专利，阐述了一种新型高温钎料 Sn-Sb-Cu备方法。将其按照如下重量百分比配比，Sb：8～20%；铜 Cu：3～7%；为锡 Sn 。将其按比例称量好，通过高频熔炼得到钎料合金；合金的熔化在 250 ℃～320 ℃之间，相较于高铅钎料综合性能优良，润湿性能也满足条件。冯丽芳等[24]研究发现在 Sn-10Sb-5Cu 钎料中添加 Ag 和 Ni 元素，钎料熔化温度下降，熔程变窄，，不利于钎料的铺展润湿。甘树德等[18]针对在 Sn-22Sb 添加 Sb，Bi 元素后的高温钎料合金微观组织研究。结果得知 Sn-22Sb 钎料合金微观组织主要由 β-Sn 和 Sb2Sn3构成。 Bi 元素使得大块状的 Sb2Sn3化合物尺寸减小，数量增加。然而 Sb 的含量到 50wt%，Sb2Sn3化合物逐渐消失，取而代之是粗大的块状 β-SnSb 组Sn-50Sb 钎料合金的固相线温度比 Sn-22Sb 合金提升。但液相线温度相对，可以添加合金元素降低其温度点，使其可以使用二级封装中。a) b)

钎料,照片,烧结技术

的 Ag 粉在烧结过程中，在 40 MPa 压力下于 250℃可以形成相对牢固的烧结接头，并且得到的接头致密性良好，虽然仍存在小孔隙缺陷，但接头的导电、导热性能均优于高铅钎料焊点，力学性能也较好；接头微观组织均匀且多孔，强度和塑性好，很大程度上提高了高温条件下服役的可靠性。烧结技术在无铅软钎料中的应用并不多见。其中 2010 年哈尔滨工业大学王帅[28]等人采用低温烧结纳米 Ag 浆技术，研究表明：烧结所形成的纳米 A层具有良好的导热性能，热导率可达到 193.7 W/(K.m)，烧结接头的剪切强度可以达到 37.5 MPa。镀 Ni-CNTs，石墨烯等有着优良的导热导电性能，可以细化钎料组织，但是其比重较轻，容易上浮，在熔融的液体内易团聚。传统的熔炼方式很难将其加入到钎料中，所以研究者采用烧结技术，通过球磨法和热压烧结技术将镀 Ni-CNTs，石墨烯等材料成功添加到钎料中。2009 年天津大学韩永典[29,30,31]等人利用粉末烧结技术的方法成功合成了 Ni 涂层碳纳米管复合钎料(Ni-CNTs-SAC305)，并测试了复合钎料的物理性能、热性能、力学性能，观察钎料的微观组织，结果表明，随着 Ni-CNTs 的加入，密度降低，润湿性能提高。机械性能呈现先上升后下降的趋势，并且当添加量为 0.05 wt%时，性能最佳。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG425

【参考文献】