cusnni体系瞬态液相软钎焊工艺及互连机理研究

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1、硕士学位论文Cu/Sn/Ni体系瞬态液相软钎焊工艺及互连机理研究STUDYONTHEINTERCONNECTIONMECHANISMOFTLPBONDINGPROCESSINCu/Sn/NiSYSTEM董红杰哈尔滨工业大学2016年6月图内图书分类号：TG453.9学校代码：10213国外图书分类号：621.791.1密级：公开工学硕士学位论文Cu/Sn/Ni体系瞬态液相软钎焊工艺及互连机理研究硕士研究生：董红杰导师：赵洪运教授申请学位：工学硕士学科：船舶与海洋工程所在单位：船舶与海洋工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学

2、ClassifiedIndex:TG453.9U.D.C:621.797.DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTHEINTERCONNECTIONMECHANISMOFTLPBONDINGPROCESSINCu/Sn/NiSYSTEMCandidate:DongHongjieSupervisor:Prof.ZhaoHongyunAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeinEngineeringSpeciality:Shipandoceanengin

3、eeringAffiliation:SchoolofshipandoceanengineeringDateofDefence:July,2016Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要SiC作为新一代的宽带系半导体材料，以其为基础制备的高温功率器件得到了迅速发展和广泛应用，这必然对封装互连技术和材料提出了新的挑战，开发出能够提供高温条件下可靠互连的芯片接合技术成为了封装技术领域最重要的研究方向之一。高熔点合金钎料和纳米银浆等存在成本高、工

4、艺复杂等诸多不足，为应对这一技术挑战，瞬态液相扩散连接（TLP）技术被应用于高温功率器件的封装互连，该方法可以在较低的烧结温度下形成具备高熔点特性的金属间化合物接头，可以满足焊点或互连接头对高温可靠性的要求。本文通过TLP技术分别完成了Cu/Sn/Cu、Ni/Sn/Ni以及Cu/Sn/Ni的互连，并在TLP技术的基础上，采用对试件施加超声的方法，在极短时间内获得金属间化合物接头。并分别对互连工艺中界面冶金反应、焊缝微观组织形貌、力学性能和热稳定性进行了研究。采用TLP工艺，完成了Cu/Cu、Ni/Ni同质金属的互连，并通过延长等温反应时间，最终

5、均获得了全金属间化合物接头。随着等温反应的进行，扩散机制由晶界扩散转变为体扩散，造成金属间化合物层的生长速率随着时间的延长均呈现下降的趋势。在两种体系中，不同金属间化合物的形核长大过程不同，在Cu/Sn/Cu体系中，Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物均在界面处形核长大；而在Ni/Sn/Ni体系中，Ni3Sn4金属间化合物的形核长大过程发生在固液界面处和液态Sn钎料中。Cu6Sn5、Cu3Sn和Ni3Sn4金属间化合物的杰克逊因子存在差异，导致晶粒具有不同的形貌特征。与传统钎料接头相比较，全金属间化合物接头的剪切强度相对较高，可以满足封装互连中

6、对力学性能的需求。采用TLP工艺，完成了Cu/Ni异质金属的互连。在Cu/Sn/Ni体系的冶金反应过程中，由于Cu-Ni交互作用，在液态Sn钎料中形成Cu的浓度梯度，导致Sn/Ni和Sn/Cu界面处(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物在生长速率、形貌、元素组分等方面存在着很大的差异，随着反应温度的升高，固液界面类型由粗糙型界面转变为带有小平面特征的界面。测得全金属间化合物接头的重熔温度为418.4oC，可以满足互连接头对热力学稳定性的要求。互连接头的平均剪切强度随着烧结温度升高略有降低，最高剪切强度为31.4MPa。在Cu/Sn/Ni体系中，采用

7、超声辅助TLP工艺在极短的时间了获得来了全金属间化合物接头。超声波的空化效应造成金属基板的剥落和溶解，声流效应促进了元素的扩散过程，界面处的冶金反应行为完全不同于传统的焊接方法，空化气泡的爆-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文破伴随着极大能量的释放，促进了Cu、Ni的溶解和扩散，提高了Cu、Ni在熔融态钎料中的溶解度，并随着超声作用时间的延长，Cu、Ni在液相Sn钎料中的过饱和度越大，促进了全金属间化合物接头的形成。关键词：瞬态液相扩散；超声辅助；Cu/Ni交互作用；冶金反应；金属间化合物-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractH

8、ighpowerdeviceshasbeenrapidlydevelopedandwidelyused,whichisonthebasisofSiC,