【摘要】：連接可以將不同種類、不同性質(zhì)的金屬、合金或非金屬連接在一起,使其在同一個(gè)整體的基礎(chǔ)上各自發(fā)揮出不同材料本身的優(yōu)勢(shì)。與同種金屬相比,異種金屬之間的連接,尤其是大面積的接觸性連接存在非常大的困難,這是由于被連接母材在物理和化學(xué)性能方面相差懸殊引起的,例如金屬熔點(diǎn)、密度、晶體結(jié)構(gòu)等方面差異。固相連接是實(shí)現(xiàn)異種金屬間連接的重要方法之一。鉭(Ta)金屬是集成電路結(jié)構(gòu)單元中微電子領(lǐng)域和半導(dǎo)體之間阻擋層材料的理想PVD濺射(Physical Vapor Deposition,物理氣相沉積)源金屬,銅合金(Cu Alloy)是理想背板支撐材料。本文采用固相連接方法實(shí)現(xiàn)Ta與Cu合金間的大面積(≥148000 mm~2)高強(qiáng)度連接。對(duì)Ta和Cu合金進(jìn)行固相連接工藝進(jìn)行多方面的探索研究,采用冷壓焊和熱壓焊進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并結(jié)合Ta金屬表面的處理方式進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在Ta金屬表面無(wú)處理的情況下,冷壓焊無(wú)法使Ta與CuZn合金之間形成有效的固相連接;真空條件下的熱壓焊連接效果也不理想,連接效果不良的區(qū)域達(dá)到85%,但是熱壓焊的試樣中發(fā)現(xiàn)邊緣局部區(qū)域出現(xiàn)有效連接,Ta原子與CuZn原子間出現(xiàn)相互擴(kuò)散現(xiàn)象。另外,在對(duì)Ta金屬表面進(jìn)行處理的條件下,冷壓焊也無(wú)法使Ta與CuZn合金之間形成有效的固相連接;但是,真空熱壓焊條件下的固相連接發(fā)現(xiàn),二者母材間出現(xiàn)有效連接,且連接范圍面積≥98.5%。由此實(shí)驗(yàn)表明,冷壓焊條件下,無(wú)論Ta金屬做表面處理和不做表面處理,固相連接效果都不理想。熱壓焊條件下,Ta金屬即使不做表面處理,在局部區(qū)域也獲得了有效的固相連接,Ta金屬做了表面處理后可以獲得超過(guò)95%的有效的固相連接�；诟呷埸c(diǎn)金屬優(yōu)先進(jìn)行表面處理的原則,研究不同的金屬表面處理方式對(duì)Ta金屬試樣的固相連接性能的影響。結(jié)果表明,熱壓焊條件下金屬表面處理采用0.45×0.2mm的螺紋方式進(jìn)行固相連接,連接強(qiáng)度最佳。在連接壓力105MPa、連接時(shí)間5h及溫度550℃條件下Ta-CuZn的連接強(qiáng)度達(dá)到140MPa,焊接結(jié)合率為100%;Ta-CuCr的連接強(qiáng)度達(dá)到110MPa,焊接結(jié)合率為100%。研究了熱壓溫度對(duì)接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律,在Ta金屬表面處理采用0.45×0.2mm螺紋方式,在450℃~850℃熱壓溫度的范圍內(nèi)選擇5種溫度進(jìn)行固相連接試驗(yàn)。結(jié)果表明,450℃~650℃條件下,接頭斷裂均發(fā)生在接頭區(qū)域;在750℃~850℃條件下,Ta-CuZn的連接強(qiáng)度最高(≥330MPa),接頭斷裂未出現(xiàn)在Ta與CuZn連接界面,而是在Ta母材上出現(xiàn)韌性斷裂;Ta-CuCr的連接強(qiáng)度達(dá)到235MPa以上,接頭斷裂雖然還是在接頭區(qū)域上,但CuCr金屬基體已經(jīng)出現(xiàn)局部韌性斷裂。以上說(shuō)明隨著熱壓溫度上升,連接強(qiáng)度越強(qiáng),甚至連接強(qiáng)度超過(guò)基體強(qiáng)度。綜上所述,Ta/CuZn、Ta/CuCr的固相連接,在固定壓力110MPa、連接時(shí)間5h條件下,最佳工藝參數(shù)為0.45×0.2 mm表面處理、750℃熱壓。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG453
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 1 章 緒 論喻為國(guó)家的 工業(yè)糧食 ，是所有整機(jī)設(shè)備的 心臟 ，普遍應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子等重大領(lǐng)域，作用舉足輕重[1-3]。如血液，那么芯片就是 中國(guó)智造 的靈魂，是發(fā)展 互聯(lián)網(wǎng)+顯示，自 2013 年開(kāi)始，我國(guó)每年進(jìn)口的芯片價(jià)值超過(guò) 2油，成為最大宗的進(jìn)口產(chǎn)品。而 芯片技術(shù) 更是核心中的創(chuàng)新、每一次的發(fā)展都引領(lǐng)了半導(dǎo)體工業(yè)的高速發(fā)展,是衡一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)、是國(guó)外對(duì)中國(guó)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)封鎖核心內(nèi)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文固相連接是解決類似異種金屬高強(qiáng)度連接的有效方法，有文獻(xiàn)表明[36-相連接方法，可以解決 Ta/Al、Nb/Cu 的連接、可以解決 Ti 合金與銅的互不固溶金屬間的高強(qiáng)度固相連接。但固相連接過(guò)程中，由于溫度選面存在的氧化等因素，連接接頭存在缺陷，影響了整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，活存在一定的安全隱患。常見(jiàn)的固相連接接頭，如圖 1-3 所示，有對(duì)接接頭、楔形接頭和釘形形式；固相連接過(guò)程中通常采用表面處理的方式去除氧化層、提高固功率。有文獻(xiàn)資料表明[41-43]，如圖 1-3（c）所示，通過(guò)金屬表面處理毛刺或凸臺(tái)）等方式，改變異種金屬待連接面接觸形式，通過(guò)焊釘擠低熔點(diǎn)被焊金屬內(nèi)部，去除低熔點(diǎn)金屬表面氧化膜并增大待連接觸面種金屬間的相互咬合、原子間擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等效應(yīng)，形成更為有效。

焊金屬 A 會(huì)產(chǎn)生眾多的裂口，而抗變形能力差、塑性性能好的被連斷擠入被焊金屬 A 產(chǎn)生的裂口中， 新鮮 金屬間的不斷擠壓咬合，效結(jié)合的方法。如于九明等人的鋼和鋁異溫軋制復(fù)合機(jī)理的研究中現(xiàn)象。屬鍵理論：1954 年由 M.s.Burton 提出了金屬鍵理論，認(rèn)為原子間距時(shí)，產(chǎn)生離子反應(yīng)生成金屬鍵，而形成的異種金屬間冶金連接。由原子間作用力（排斥力 FA 和吸引力 FR）與原子間距離的關(guān)系可距離足夠接近時(shí)，以排斥力為主；隨著原子間距的增加，排斥力變加；當(dāng)吸引力和排斥力相等時(shí)的原子間距即為平衡間距，此時(shí)相互零，原子間最為穩(wěn)定；當(dāng)繼續(xù)增加原子間距，作用力以吸引力為主的平均原子間距時(shí)吸引力最大，此后隨著原子間距的進(jìn)一步遠(yuǎn)離低。原子間距離很大時(shí)，原子間的作用力很小，可以忽略不計(jì)。故慮，當(dāng)兩個(gè)原子間距離達(dá)到平衡間距時(shí)結(jié)合能為零，可以認(rèn)為原子定的，此時(shí)異種原子間的自由電子也相互共有，即形成類似金屬鍵

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