【摘要】：第三代半導體材料的服役條件更加嚴峻,對器件中互連材料也提出了更高的要求。為了滿足高溫環(huán)境下高功率性能的穩(wěn)定性,必然需要使用高溫釬料�；ミB材料與芯片的晶體結構、晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)及高溫穩(wěn)定性嚴重影響器件的可靠性,高導熱陶瓷材料作為第三代半導體常用的基板材料,其在工程中是硬度最高剛度最好的材料,為了釬料與基板材料匹配度高,連接強度好,必然需要提高釬料的力學性能。納米材料因其優(yōu)越的物理性能被應用于各行各業(yè),為了提高釬料的力學性能,本文通過兩種制作工藝制備Sn-5Sb-nano Cu復合釬料。一種是通過機械攪拌的方法將其制備成Sn-5Sbnano Cu復合焊膏,另一種是通過熱壓燒結工藝制備成Sn-5Sb-nano Cu復合焊片。并對兩種工藝條件下復合釬料的微觀組織分析研究,對其潤濕性能、剪切性能以及顯微硬度測試分析,探究納米Cu顆粒對其性能的影響。研究結果表明:焊膏制作工藝下,在Sn-5Sb中添加納米Cu顆粒后,復合釬料在加熱溫度達到Sn的熔點以上時,納米Cu顆粒與Sn反應生成微小的Cu6Sn5化合物,其可以作為異質形核質點彌散分布在基體釬料中,細化焊點體釬料微觀組織,而且隨著納米顆粒添加細化效果更顯著。添加納米Cu顆粒使得復合釬料的潤濕性能下降,當添加量為1.0 wt%時,潤濕性下降了13.4%,此時達到最低。在焊膏制作工藝下,添加納米Cu顆�？梢砸种平缑鍵MC的生長,隨著添加量的增加,抑制效果越顯著,但對其形貌基本無影響。這是由于納米Cu顆粒具有高的表面能,根據(jù)吸附理論,納米顆粒容易被吸附在界面IMC層的上表面,導致界面IMC層的表面能降低,增強晶面的穩(wěn)定性,從而使界面IMC生長速率減小。對Sn-5Sb-nano Cu復合焊膏力學性能測試發(fā)現(xiàn):焊點體釬料的顯微硬度隨著納米Cu顆粒含量增加呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢,在添加量為0.1 wt%時,硬度達到最大為207.3 MPa,而Sn-5Sb/Cu焊點體釬料的顯微硬度為162.7 Mpa,提高了27.4%。當添加量為1.0 wt%時,僅為183.9 Mpa。對焊接接頭的剪切強度測試得知,剪切強度同樣是先上升再下降,在納米Cu含量為0.3 wt%時,剪切強度提高了13.8%;但當添加量為1.0 wt%時,剪切強度下降明顯,下降了5.1%。分析為添加納米顆粒由于其細晶強化和彌散強化的共同作用下,使得焊點力學性能一定程度提高。同時由于添加納米顆粒導致焊點中氣孔數(shù)量的增加,氣孔作為應力集中點,裂紋發(fā)展的潛在區(qū)域,嚴重影響了焊點力學性能,導致焊點力學性急劇下降。在燒結制作工藝下,Sn-5Sb-nano Cu釬料燒結工藝參數(shù)確定為燒結壓力20 Mpa、燒結溫度180℃、保溫時間60 min。對燒結后的復合釬料片進行微觀組織觀察,可以觀察到燒結后仍然存在不可避免的微裂紋。在微觀組織中有彌散分布的化合物,分析為添加的納米Cu顆粒在燒結后完全反應生成Cu-Sn化合物,納米顆粒并不是以純金屬的形式存在。分析在燒結制作工藝下,納米Cu顆粒對Sn-5Sb基體釬料潤濕性能的影響,結果潤濕角大幅增加,即釬料潤濕性能下降明顯。對焊后焊點界面IMC的厚度測量得知,添加納米顆粒對焊點界面IMC厚度無影響。分析為納米顆粒在燒結后已經(jīng)完全反應生成了Cu-Sn的化合物,所以在焊接過程中難以發(fā)揮其納米顆粒的優(yōu)良性能。
【圖文】：

Dele-Afolabi[16]等在 Sn-5Sb 中添加 CNTs，發(fā)現(xiàn) CNTs 可以有效制界面 IMC 的生長，延緩界面 IMC 的生長速度。Esfandyarpour 等發(fā)現(xiàn) Bu 可以提高 Sn-5Sb 釬料合金的拉伸性能，細化釬料組織。閆焉服等[17]研究并發(fā)表了一項專利，闡述了一種新型高溫釬料 Sn-Sb-Cu備方法。將其按照如下重量百分比配比，Sb：8～20%；銅 Cu：3～7%；為錫 Sn 。將其按比例稱量好，通過高頻熔煉得到釬料合金；合金的熔化在 250 ℃～320 ℃之間，相較于高鉛釬料綜合性能優(yōu)良，潤濕性能也滿足條件。馮麗芳等[24]研究發(fā)現(xiàn)在 Sn-10Sb-5Cu 釬料中添加 Ag 和 Ni 元素，釬料熔化溫度下降，熔程變窄，，不利于釬料的鋪展?jié)櫇瘛８蕵涞碌萚18]針對在 Sn-22Sb 添加 Sb，Bi 元素后的高溫釬料合金微觀組織研究。結果得知 Sn-22Sb 釬料合金微觀組織主要由 β-Sn 和 Sb2Sn3構成。 Bi 元素使得大塊狀的 Sb2Sn3化合物尺寸減小，數(shù)量增加。然而 Sb 的含量到 50wt%，Sb2Sn3化合物逐漸消失，取而代之是粗大的塊狀 β-SnSb 組Sn-50Sb 釬料合金的固相線溫度比 Sn-22Sb 合金提升。但液相線溫度相對，可以添加合金元素降低其溫度點，使其可以使用二級封裝中。a) b)

的 Ag 粉在燒結過程中，在 40 MPa 壓力下于 250℃可以形成相對牢固的燒結接頭，并且得到的接頭致密性良好，雖然仍存在小孔隙缺陷，但接頭的導電、導熱性能均優(yōu)于高鉛釬料焊點，力學性能也較好；接頭微觀組織均勻且多孔，強度和塑性好，很大程度上提高了高溫條件下服役的可靠性。燒結技術在無鉛軟釬料中的應用并不多見。其中 2010 年哈爾濱工業(yè)大學王帥[28]等人采用低溫燒結納米 Ag 漿技術，研究表明：燒結所形成的納米 A層具有良好的導熱性能，熱導率可達到 193.7 W/(K.m)，燒結接頭的剪切強度可以達到 37.5 MPa。鍍 Ni-CNTs，石墨烯等有著優(yōu)良的導熱導電性能，可以細化釬料組織，但是其比重較輕，容易上浮，在熔融的液體內(nèi)易團聚。傳統(tǒng)的熔煉方式很難將其加入到釬料中，所以研究者采用燒結技術，通過球磨法和熱壓燒結技術將鍍 Ni-CNTs，石墨烯等材料成功添加到釬料中。2009 年天津大學韓永典[29,30,31]等人利用粉末燒結技術的方法成功合成了 Ni 涂層碳納米管復合釬料(Ni-CNTs-SAC305)，并測試了復合釬料的物理性能、熱性能、力學性能，觀察釬料的微觀組織，結果表明，隨著 Ni-CNTs 的加入，密度降低，潤濕性能提高。機械性能呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并且當添加量為 0.05 wt%時，性能最佳。
【學位授予單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG425

【參考文獻】

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本文編號：2657788