隨著半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展,大功率小型化和高集成度已成為芯片勢(shì)不可擋的發(fā)展潮流,且應(yīng)用于航空航天、汽車電子及人工智能等領(lǐng)域的芯片的服役環(huán)境也越來(lái)越苛刻,因此對(duì)芯片提出了越來(lái)越高的高溫穩(wěn)定性要求。對(duì)于當(dāng)前廣泛使用的Sn基釬料,若采用瞬態(tài)液相焊的方法獲得高熔點(diǎn)接頭是非常耗時(shí)的過(guò)程。因此,急需一種成本較低的釬料以及兼容性好的匹配工藝,以實(shí)現(xiàn)高效制備耐高溫接頭的目標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了一系列含有不同比例的大顆粒Cu、小顆粒Cu和Sn顆粒的復(fù)合釬料。研究結(jié)果表明,對(duì)于含有40 wt.%Cu的復(fù)合釬料,采用超聲輔助瞬態(tài)液相焊的方法在250℃溫度下超聲加載10 s后,成功制備了含有少量Cu殘余的Cu₃Sn金屬間化合物接頭,該接頭的常溫剪切強(qiáng)度可達(dá)49.96 MPa;對(duì)于含有40 wt.%大小顆�；旌螩u的復(fù)合釬料,其全Cu₃Sn焊點(diǎn)接頭在350℃高溫下的剪切強(qiáng)度可達(dá)46.64 MPa,且其接頭整體（包括上下Cu基底和釬縫）的熱導(dǎo)率為258.2 W/m·K,具有較大的高溫應(yīng)用前景。在超聲輔助瞬態(tài)液相焊的工藝下,能夠在10 s的時(shí)間高效獲得耐高溫接頭的主要機(jī)理如下:首先... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：63 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

40℃下的接頭組織

圖 1-2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖[22]a）組裝前的 Sn 箔和多孔 Cu 預(yù)制片；b）樣品的組裝；c）液態(tài) Sn 的流動(dòng)將多孔 Cu 層填縫致密化；d）通過(guò) Cu/Sn 擴(kuò)散反應(yīng)形成 Cu+Cu-Sn 金屬間化合物互連焊點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖 1-3），在 250℃下反應(yīng) 1 分鐘后，顆粒之間的間隙完全由兩個(gè)界面處的液體 Sn 填充，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的顯著致密化；當(dāng)反應(yīng) 5 分鐘后，微結(jié)構(gòu)沒有顯著變化，但是在 Cu 顆粒的表面上形成薄的 Cu3Sn 層；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至 20 分鐘后，間隙中或沿界面區(qū)域的熔融 Sn 被完全消耗，并且扇形 Cu6Sn5層與界面 Ag3Sn 層接觸（Ag 元素來(lái)自基底的鍍層）,Cu3Sn 金屬間化合物的生長(zhǎng)以 Cu6Sn5金屬間化合物和 Cu 的消耗為代價(jià)；當(dāng)反應(yīng)增加至 45 分鐘后，微結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，而 Cu3Sn 層繼續(xù)生長(zhǎng)。當(dāng)反應(yīng)溫度為 300 ℃時(shí)，各種反應(yīng)時(shí)間的獲得的接頭的顯微形貌組織的演變類似于 250 ℃下的鍵合過(guò)程，而 Cu3Sn 層由于更快的元素?cái)U(kuò)散而顯著增厚。同時(shí)，較為密集的白色 Ag3Sn 相分布在 Cu-Sn 金屬間化合物中，這是因?yàn)榛迳系?Ag 原子溶解到熔融的 Sn 中并沿著間隙用流體擴(kuò)散，最后它們隨著液體的消耗而沉淀為 Ag3Sn 顆粒。

圖 1-3 不同溫度和不同時(shí)間下獲得的接頭的微觀組織[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 互連系統(tǒng)在 260℃和 300℃下施加電流密度為1.0×102A/cm2和 2.0×102A/cm2時(shí) Cu6Sn5金屬間化合物的形貌演變和力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，Cu6Sn5金屬間化合物在無(wú)電流瞬態(tài)液相焊的接頭處對(duì)稱生長(zhǎng)，但在固液電遷移（Solid-Liquid Electromigration, S-L EM）的情況下，顯示出明顯的極性回流效應(yīng)。相比之下，Cu3Sn 金屬間化合物的生長(zhǎng)幾乎不受電流的影響。在升高的電流密度和溫度下，長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)后Cu6Sn5晶粒表面出現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)；而在固液電遷移效果下，陰極 Cu6Sn5金屬間化合物幾乎不生長(zhǎng)，而陽(yáng)極 Cu6Sn金屬間化合物隨時(shí)間呈線性關(guān)系而生長(zhǎng)。陽(yáng)極 Cu6Sn5在 260℃下在 1.0×10A/cm2下的生長(zhǎng)速率為 0.107 μm/min，當(dāng)電流密度增加到 2.0×102A/cm2時(shí)，陽(yáng)極 Cu6Sn5金屬間化合物的生長(zhǎng)速率增加到 0.212 μm/min。Yin 等人[24]將 10 μm 的 Sn 箔作為中間釬料層，采用感應(yīng)加熱的方法最終加熱至 500 ℃以上，對(duì) Cu/Sn/Cu 系統(tǒng)的組織展開研究。研究結(jié)果表明，在初始階段，上下 Cu 基板上形成扇貝狀的 Cu6Sn5相，且在 Cu6Sn5相和 Cu3Sn 相之間形


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