本文選題：Cu@Sn核殼結構 + 芯片貼裝��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文

【摘要】：電子產品高集成度和高功率化的發(fā)展趨勢,推動了基于Si C、Ga N等寬禁帶半導體材料的新型功率器件迅猛發(fā)展。以Si C為代表的寬禁帶半導體功率器件最高可以在600℃下工作,然而能與之匹配的芯片高溫連接材料卻十分缺乏。過高的回流溫度將造成較大的熱應力,并可能破壞同一系統(tǒng)中其他溫度敏感型器件,因此要求焊接材料最好可以在低溫短時的回流條件下即可實現(xiàn)焊接,所得焊點能夠耐受更高的服役溫度。并且出于焊點熱-機械可靠性的考慮,焊縫最好具有一定厚度以緩解應力集中問題。為此,本文成功制備出Cu@Sn核殼結構雙金屬粉,將其作為新型焊接材料引入到功率器件封裝領域,能夠滿足第三代半導體器件對封裝材料的一系列要求,提供了一種有效的芯片貼裝解決方案。本文成功制備出微米級Cu@Sn核殼結構雙金屬粉,該粉體具有以下特征:低溫回流時外表Sn鍍層即可熔化并連接相鄰Cu核,充足的Cu原子來源和顆粒較高的表面活性使得Sn層短時間回流即可生成具有更高熔點的Cu-Sn金屬間化合物。通過Cu-Sn相變的方式實現(xiàn)了低溫短時回流后所得焊點具有更高熔點的目的,并且焊縫厚度可以通過調整Cu@Sn金屬粉的添加量而精確控制。選取1μm、5μm以及30μm三個尺寸的顆粒詳細闡述了Cu粉的粒徑對Sn鍍層厚度以及后期焊接質量的影響,發(fā)現(xiàn)粒徑越小,焊縫微觀組織均勻一致性越好,但導電導熱能力越差�？偨Y了Cu球表面化學鍍Sn過程中隨著鍍覆環(huán)境不同而出現(xiàn)的一系列鍍Sn結果及其對應的形成機制。研究了不同粒徑、不同鍍Sn層厚度的Cu@Sn核殼金屬粉以釬料膏和預置片兩種形式制成的焊點微觀組織和機械強度。Cu@Sn釬料膏制備簡單且應用靈活,但膏體流動性差且焊縫中存在孔洞缺陷;預置片焊點組織均勻致密且機械強度高。最終確定粒徑30μm的Cu球表面鍍Sn層厚度為2μm時,Cu@Sn核殼顆粒以預置片的方式進行焊接得到的焊縫性能最優(yōu)。確定了250℃下回流8min、16min和40min后相組成分別為Cu+Cu6Sn5、Cu+Cu6Sn5+Cu3Sn和Cu+Cu3Sn。室溫下釬料膏焊點最大剪切強度僅有2.3MPa,而預置片焊點分別回流處理8min和40min后在400℃和500℃下高溫剪切強度分別高達29.35MPa和18.78MPa。預置片中由于Cu核均勻存在使其具有優(yōu)良的導電導熱能力,平均粒徑為30μm的顆粒制備的預置片其平均電阻率為6.5μΩ·cm;在30℃、150℃和250℃下平均熱導率分別為154.26W·m-1·K-1、130.64W·m-1·K-1和127.99W·m-1·K-1。冷熱沖擊實驗中發(fā)現(xiàn),Cu@Sn預置片焊點會出現(xiàn)縱向裂紋,對焊點整體性能影響不大。進一步地將預置片應用于實際功率器件IGBT(PCG40N65SMW)與DBC的焊接并進行冷熱沖擊,測試冷熱沖擊后焊縫的Ic-Vce曲線與反向擊穿電壓,確定其可以滿足實際功率器件對焊縫的電氣要求。研究了不同Sn鍍層厚度的Cu@Sn顆粒在經受差異化的高溫服役條件時微觀組織的演變行為。確定了Sn鍍層厚度為2μm的Cu@Sn顆粒制備的焊點當Sn完全相變生成Cu6Sn5金屬間化合物時,體積增大2.60%,而當Cu-Sn繼續(xù)相變生成Cu3Sn金屬間化合物時,體積減小5.60%。發(fā)現(xiàn)高溫短時(450℃,1h)的服役條件下焊縫中出現(xiàn)了新的δ-Cu41Sn11相。確定了不同鍍層厚度的Cu@Sn核殼顆粒制備的焊點經受高溫服役時兩種相變路徑:薄鍍Sn層(2μm)的,微觀組織的相變發(fā)生過程依次為Cu@Sn→Cu@η-Cu6Sn5→Cu@ε-Cu3Sn→Cu@δ-Cu41Sn11→Cu@γ-phase(520℃)→Cu@β-phase(586℃),這是由于鍍Sn層較薄不能完全通過相變消耗全部Cu核,焊縫始終保持核殼結構的典型特征,只在外部金屬間化合物包覆層區(qū)域的相組成發(fā)生上述一系列轉變;而對厚鍍Sn層(≥4μm)的Cu@Sn核殼顆粒制備的焊點經受高溫服役條件時,微觀組織發(fā)生的相變過程依次為Cu@Sn→Cu@η-Cu6Sn5→Cu@ε-Cu3Sn→ε-Cu3Sn+δ-Cu41Sn11,最終焊縫失去核殼結構的典型特征,轉而形成微觀組織均勻一致的焊縫結構。
[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.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG42

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本文編號：1924783