Cu@Sn核壳粉体制备及其高熔点焊缝的性能与组织演变
本文选题:Cu@Sn核壳结构 + 芯片贴装 ; 参考:《哈尔滨工业大学》2017年博士论文
【摘要】:电子产品高集成度和高功率化的发展趋势,推动了基于Si C、Ga N等宽禁带半导体材料的新型功率器件迅猛发展。以Si C为代表的宽禁带半导体功率器件最高可以在600℃下工作,然而能与之匹配的芯片高温连接材料却十分缺乏。过高的回流温度将造成较大的热应力,并可能破坏同一系统中其他温度敏感型器件,因此要求焊接材料最好可以在低温短时的回流条件下即可实现焊接,所得焊点能够耐受更高的服役温度。并且出于焊点热-机械可靠性的考虑,焊缝最好具有一定厚度以缓解应力集中问题。为此,本文成功制备出Cu@Sn核壳结构双金属粉,将其作为新型焊接材料引入到功率器件封装领域,能够满足第三代半导体器件对封装材料的一系列要求,提供了一种有效的芯片贴装解决方案。本文成功制备出微米级Cu@Sn核壳结构双金属粉,该粉体具有以下特征:低温回流时外表Sn镀层即可熔化并连接相邻Cu核,充足的Cu原子来源和颗粒较高的表面活性使得Sn层短时间回流即可生成具有更高熔点的Cu-Sn金属间化合物。通过Cu-Sn相变的方式实现了低温短时回流后所得焊点具有更高熔点的目的,并且焊缝厚度可以通过调整Cu@Sn金属粉的添加量而精确控制。选取1μm、5μm以及30μm三个尺寸的颗粒详细阐述了Cu粉的粒径对Sn镀层厚度以及后期焊接质量的影响,发现粒径越小,焊缝微观组织均匀一致性越好,但导电导热能力越差。总结了Cu球表面化学镀Sn过程中随着镀覆环境不同而出现的一系列镀Sn结果及其对应的形成机制。研究了不同粒径、不同镀Sn层厚度的Cu@Sn核壳金属粉以钎料膏和预置片两种形式制成的焊点微观组织和机械强度。Cu@Sn钎料膏制备简单且应用灵活,但膏体流动性差且焊缝中存在孔洞缺陷;预置片焊点组织均匀致密且机械强度高。最终确定粒径30μm的Cu球表面镀Sn层厚度为2μm时,Cu@Sn核壳颗粒以预置片的方式进行焊接得到的焊缝性能最优。确定了250℃下回流8min、16min和40min后相组成分别为Cu+Cu6Sn5、Cu+Cu6Sn5+Cu3Sn和Cu+Cu3Sn。室温下钎料膏焊点最大剪切强度仅有2.3MPa,而预置片焊点分别回流处理8min和40min后在400℃和500℃下高温剪切强度分别高达29.35MPa和18.78MPa。预置片中由于Cu核均匀存在使其具有优良的导电导热能力,平均粒径为30μm的颗粒制备的预置片其平均电阻率为6.5μΩ·cm;在30℃、150℃和250℃下平均热导率分别为154.26W·m-1·K-1、130.64W·m-1·K-1和127.99W·m-1·K-1。冷热冲击实验中发现,Cu@Sn预置片焊点会出现纵向裂纹,对焊点整体性能影响不大。进一步地将预置片应用于实际功率器件IGBT(PCG40N65SMW)与DBC的焊接并进行冷热冲击,测试冷热冲击后焊缝的Ic-Vce曲线与反向击穿电压,确定其可以满足实际功率器件对焊缝的电气要求。研究了不同Sn镀层厚度的Cu@Sn颗粒在经受差异化的高温服役条件时微观组织的演变行为。确定了Sn镀层厚度为2μm的Cu@Sn颗粒制备的焊点当Sn完全相变生成Cu6Sn5金属间化合物时,体积增大2.60%,而当Cu-Sn继续相变生成Cu3Sn金属间化合物时,体积减小5.60%。发现高温短时(450℃,1h)的服役条件下焊缝中出现了新的δ-Cu41Sn11相。确定了不同镀层厚度的Cu@Sn核壳颗粒制备的焊点经受高温服役时两种相变路径:薄镀Sn层(2μm)的,微观组织的相变发生过程依次为Cu@Sn→Cu@η-Cu6Sn5→Cu@ε-Cu3Sn→Cu@δ-Cu41Sn11→Cu@γ-phase(520℃)→Cu@β-phase(586℃),这是由于镀Sn层较薄不能完全通过相变消耗全部Cu核,焊缝始终保持核壳结构的典型特征,只在外部金属间化合物包覆层区域的相组成发生上述一系列转变;而对厚镀Sn层(≥4μm)的Cu@Sn核壳颗粒制备的焊点经受高温服役条件时,微观组织发生的相变过程依次为Cu@Sn→Cu@η-Cu6Sn5→Cu@ε-Cu3Sn→ε-Cu3Sn+δ-Cu41Sn11,最终焊缝失去核壳结构的典型特征,转而形成微观组织均匀一致的焊缝结构。
[Abstract]:The development trend of high integration and high power of electronic products has promoted the rapid development of new power devices based on Si C, Ga N wide band gap semiconductor materials. The wide band gap semiconductor power device, represented by Si C, can work at 600 degrees centigrade, but the high temperature connection material matching with it is very short. The temperature will cause large thermal stress and may destroy the other temperature sensitive devices in the same system, so it is required that the welding material can be welded under the low temperature and short reflux condition. The solder joints can withstand the higher service temperature. And the weld is best for the consideration of the welding point thermal mechanical reliability. In order to alleviate the stress concentration problem, this paper successfully prepared Cu@Sn nuclear shell structure double metal powder and introduced it as a new welding material into the field of power device encapsulation, which can satisfy a series of requirements of third generation semiconductor devices to package materials and provide an effective chip mounting solution. Rice Cu@Sn core shell structure Bimetallic Powder has the following characteristics: the surface Sn coating can melt and connect adjacent Cu nuclei at low temperature reflux. Sufficient Cu atomic source and high surface activity make the Sn layer be refluted for a short time to produce the Cu-Sn intermetallic compound with higher melting point. It is realized through the Cu-Sn phase transition. The solder joints obtained at low temperature and short reflux have a higher melting point, and the thickness of the weld can be accurately controlled by adjusting the addition of Cu@Sn metal powder. The effects of the particle size of Cu powder on the thickness of the Sn coating and the quality of the later welding are elaborated in detail. The smaller the particle size is, the microstructure of the weld is found. The weld thickness can be accurately controlled by adjusting the addition of Cu@Sn metal powder. The better the uniform uniformity of the tissue, the worse the conductive and thermal conductivity. A series of Sn results and the corresponding formation mechanism in the process of electroless Sn plating on the Cu sphere with different coating environment were summarized. The solder joints made of two forms, with different particle sizes and different thickness of Sn coating, were made with the solder paste and the preset sheet. Microstructure and mechanical strength.Cu@Sn solder paste preparation is simple and flexible, but the fluidity of the paste is poor and there is hole defect in the weld. The microstructure of the preset solder joint is uniform and dense and the mechanical strength is high. When the thickness of the Sn layer of the Cu ball surface of the Cu ball surface is 2 u m, the welding seam of the Cu@Sn core shell is welded by the preset plate. The performance is optimal. It is determined that the reflux of 8min at 250 C, the post phase composition of 16min and 40min is Cu+Cu6Sn5, and the maximum shear strength of solder paste solder joint at Cu+Cu6Sn5+Cu3Sn and Cu+Cu3Sn. at room temperature is only 2.3MPa, while the high temperature shear strength of the pre-set solder joints at 400 and 500, respectively, reaches to the 29.35MPa and 18.78MPa. preset plates at 400 and 500, respectively. The average resistivity of the prefabricated tablets prepared by the particles with an average particle size of 30 u m is 6.5 Omega cm. The average thermal conductivity at 30, 150 and 250 is found in the cold and heat shock test of 154.26W. M-1, K-1130.64W. M-1. K-1 and 127.99W M-1. K-1. at 30. There will be a longitudinal crack which has little effect on the overall performance of the solder joints. Further, the preset plate is applied to the welding of the actual power device IGBT (PCG40N65SMW) and the DBC, and the cold and heat shock is carried out. The Ic-Vce curve and reverse breakdown voltage of the weld after the cold and hot impact are tested, and the electrical requirements of the actual power devices for the weld are determined. The microstructure evolution behavior of Cu@Sn particles with different Sn coating thickness under different high temperature service conditions is determined. The solder joints prepared by Cu@Sn particles with the thickness of Sn coating are 2 mu m, when the Sn complete phase transition produces Cu6Sn5 intermetallic compounds, the volume increases by 2.60%, and the volume of the Cu-Sn in the continuous phase transition to the Cu3Sn intermetallic compound. 5.60%. found a new delta -Cu41Sn11 phase in the weld seam under the service condition of high temperature and short time (450, 1H). The two phase transition paths of the solder joints prepared by the Cu@Sn core particles with different coating thickness were determined by the thin plating Sn layer (2 mu m). The phase change process of the microstructure was Cu@Sn, Cu@, -Cu6Sn5, Cu@ epsilon -Cu3Sn. Cu@ Delta -Cu41Sn11 to Cu@ gamma -phase (520 C) - Cu@ beta -phase (586 C), this is because the plating Sn layer is thin and can not completely consume all Cu core through phase transition, and the weld always keeps the typical characteristics of the core and shell structure, only the phase composition of the coating area of the outer intermetallic compound occurs, and the Cu@Sn nucleus of the thick plating Sn layer (> 4 mu m). When the solder joints prepared by shell particles are subjected to high temperature service conditions, the phase transformation process of microstructure is Cu@Sn, Cu@, -Cu6Sn5, Cu@ e -Cu3Sn and epsilon -Cu3Sn+ Delta -Cu41Sn11, which eventually loses the typical characteristics of the core shell structure and turns to a uniform and uniform microstructure of the microstructure.
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG42
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 赵强,徐辉;浅谈如何提高焊缝质量[J];农机使用与维修;2004年01期
2 永新;氮、氢对焊缝质量有何影响?[J];劳动保护;1987年07期
3 宋永伦,叶峰,李迪,陈富根,丁秀梁;机器人弧焊过程焊缝质量信息的在线判读[J];焊接技术;2000年S1期
4 林焰;压力容器D类焊缝质量控制[J];机械研究与应用;2000年03期
5 孙灵霞,魏肯堂,叶云长;铍焊缝质量的工业CT诊断方法研究[J];核技术;2002年02期
6 宋统战;;非熔嘴式电渣焊焊缝质量影响因素的分析及解决方法[J];金属加工(热加工);2011年10期
7 于晓燕;魏玉军;姜京生;;点固焊缝的质量控制[J];金属加工(热加工);2012年08期
8 ;一条焊缝与十条焊缝的哲学[J];焊接;1971年06期
9 陈奎昌;;对提高钢结构焊缝质量的意见[J];水利电力机械;1990年02期
10 关颖;;卡具形状对空腹钢窗连续闪光对焊直角焊缝质量的影响[J];焊接;1992年10期
相关会议论文 前10条
1 鲍宗川;;建筑钢结构常见焊缝质量检验的思考[A];西南地区第十届NDT学术交流会论文集[C];2009年
2 赵银海;俞增强;;钢结构构件T形和角接焊接接头全熔透焊缝的焊接技术[A];第二届全国钢结构施工技术交流会论文集[C];2008年
3 骆智君;刘世胄;黄增卫;麦海涛;;不锈钢真空保温瓶焊缝质量及保温性能的测试方法[A];中国电子学会焊接专业委员会第五届学术会议论文集[C];1995年
4 白锐;杜京义;;图像识别技术在钢管焊缝质量检测中的应用[A];2009中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2009年
5 倪振新;唐宣朝;;球型钢网架管焊缝超声波探伤[A];西南地区第七次无损检测学术交流会论文集[C];2000年
6 段庆儒;沈功田;李邦宪;刘时风;郑学实;杨文福;朱志钢;;液化石油气钢瓶焊缝质量的声发射检测和评定[A];第四届全国压力容器学术会议论文集[C];1997年
7 张广军;刘晓东;陈善本;;图象传感脉冲GTAW焊焊缝偏差实时检测研究[A];第十次全国焊接会议论文集(第2册)[C];2001年
8 孙灵霞;朱宏志;;低密度材料焊缝质量的CT诊断[A];中国工程物理研究院科技年报(1998)[C];1998年
9 王雅生;宁先进;;电磁搅拌对1Cr18Ni9Ti不锈钢焊缝耐腐蚀性的影响[A];第九次全国焊接会议论文集(第2册)[C];1999年
10 邹鹏程;陈建华;齐杰斌;余威;宋锡友;;基于RTX的米巴赫焊机焊缝质量检测系统的设计研究[A];中国计量协会冶金分会2013年会论文集[C];2013年
相关重要报纸文章 前2条
1 李晓文邋张晓玲 叶晖 伍尚任;汗水换来金字招牌[N];中国石油报;2008年
2 姜恩;我国成功制备出核壳结构的碳纳米管[N];科技日报;2009年
相关博士学位论文 前10条
1 胡天麒;Cu@Sn核壳粉体制备及其高熔点焊缝的性能与组织演变[D];哈尔滨工业大学;2017年
2 周律;基于视觉伺服的弧焊机器人焊接路径获取方法研究[D];上海交通大学;2007年
3 李伟;钛基和碳基核壳结构纳米材料的制备与应用研究[D];复旦大学;2013年
4 张宝忠;ZSM-5分子筛的纳米化、核壳化及其催化性能研究[D];北京有色金属研究总院;2015年
5 高彩天;氧化物半导体核壳异质结构在光电化学器件中的应用[D];兰州大学;2015年
6 南皓雄;单原子壳层核壳结构催化剂及铂基合金催化剂的制备与研究[D];华南理工大学;2015年
7 李洒;核壳结构纳米材料的制备、调控与功能化特性[D];清华大学;2015年
8 李彦兴;二氧化硅包裹的核壳结构纳米金属催化剂的制备及氨分解制氢研究[D];南京大学;2011年
9 贺珊珊;核壳微纳结构材料的制备及对水中微污染物的去除研究[D];中国地质大学;2016年
10 何浪;核壳结构水性丙烯酸树脂乳液的可控制备及其流变行为研究[D];武汉大学;2015年
相关硕士学位论文 前10条
1 段瑞霞;基于视觉信息的氩弧焊焊缝质量在线检测[D];宁波大学;2015年
2 葛文豪;起重机轨道压板螺栓连接焊缝的动力学特性研究[D];武汉科技大学;2016年
3 陶霖;电阻焊焊缝质量在线检测技术的研究[D];华东理工大学;2014年
4 范鹏程;焊接自动化关键技术研究—焊缝识别与跟踪[D];广西科技大学;2013年
5 郭亮;焊缝轨迹跟踪激光视觉伺服控制系统[D];南昌大学;2005年
6 李春龙;一维核壳结构LiFePO_4/C复合材料的合成与电化学性能的研究[D];湖南工业大学;2015年
7 刘晓芳;磁性核壳结构镍基纳米催化剂的制备及加氢性能研究[D];河北大学;2015年
8 郑书红;稀土掺杂荧光温度传感材料设计与合成[D];浙江大学;2015年
9 刘梦眉;两种磁性材料的微波吸收性能分析[D];复旦大学;2014年
10 薛芬;界面活性核壳复合材料的制备及乳化性能研究[D];山西大学;2014年
,本文编号:1924783
本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/1924783.html