摘 要

因锌基钎料价格低廉、熔点合适、导热性能、导电性和机械强度较好，显示出在高温电子器件内广泛应用的潜力。但纯锌很脆，且组织不致密，同时在锌基钎料焊接过程中极易氧化，抑制了锌基钎料的广泛应用。本文使用Zn-5Al合金作为钎料，成功在铜基板上制备了锌基焊点，通过金相显微镜观察Zn-5Al/Cu焊点在不同的焊接时间和焊接温度下的界面反应行为。实验结果表明：在一定反应温度和时间范围内，主要生成Cu₅Zn₈和CuZn₄两种金属间化合物，金属间化合物厚度随时间成平方根线性关系改变。本文探索了铜基板用锌基钎料Zn-5Al焊接时，焊接温度和焊接时间对生成铜锌金属间化合物层厚度的影响，为锌基钎料焊接制备高温功率电子器件内的工业应用提供科学依据和理论指导。

关键词：高温功率电子器件；锌基钎料；金属间化合物

Abstract

Due to the low price of zinc-based solder, suitable melting point, better thermal conductivity, electrical conductivity and mechanical strength, it shows the potential for wide application in high-temperature electronic devices. However, pure zinc is brittle, and the structure is not dense. At the same time, it is easily oxidized during the soldering of zinc-based solder, which inhibits the wide application of zinc-based solder. In this paper, Zn-5Al alloys were used as solders. Zinc base solder joints were successfully prepared on copper substrates. The interface reaction behaviors of Zn-5Al/Cu solder joints under different welding time and welding temperature were observed by metallographic microscope. The experimental results show that Cu5Zn8 and CuZn4 intermetallic compounds are mainly produced within a certain reaction temperature and time range, and the thickness of intermetallic compounds changes linearly with the square root of time. This article explores the influence of the welding temperature and the welding time on the thickness of the copper-zinc intermetallic compound layer when welding Zn-5Al using zinc-based solders for copper substrates, and provides scientific applications for the industrial application of high-temperature power electronic devices for the soldering of zinc-based solders. Basis and theoretical guidance.

Key Words ：High temperature power electronics; zinc-based solder; intermetallic compounds

目录

第1章 绪论 1

1.1高温功率电子器件封装 1

1.2 Zn/Cu固液界面反应 2

1.3 本文研究工作及意义 4

第2章 锌基钎焊焊接接头制备及检测 5

2.1 铜基板制备及前处理 5

2.2 锌基焊点制备 5

2.2.1 铜基板锌基钎料焊接 5

2.2.2 铜基板试样的镶样 5

2.2.3 试样金相制备 5

2.3 锌基焊接层性能检测 6

2.3.1 钎焊接头外观检测 6

2.3.2 界面层组织形貌观察 6

2.4 IMC生长形貌分析 6

第3章 实验结果与分析 7

3.1实验变量设置 7

3.2 锌基钎焊界面组织分析 7

3.2.1 焊接接头外观分析 7

3.2.2 固-液界面反应中IMC形貌分析 8

3.2.3 铜锌金属间化合物形成机制分析 11

3.3 本章小结 11

第4章 结论和展望 13

4.1 结论 13

4.2 未来展望 14

参考文献 15

致 谢 17

第1章 绪论

1.1高温功率电子器件封装

回顾二十一世纪发展历程，全球已经进入了信息时代，电子信息技术的高速发展，很大程度地改变了人类的生活方式和工作方式，同时也成为衡量各个国家国力强弱的重要标志之一。信息技术是当今世界经济和社会发展的重要驱动力，极大地提高了社会生产力。如今信息产业已经成为我国实现现代化工业强国的战略性、基础性和先导性支柱产业，而半导体集成电路技术则是电子信息技术的基石。半导体微电子产业的高速发展，电子领域的崛起，让电子产业在全球已经逐渐形成了电子设计、电子制造和电子封装与测试三个相对独立的电子产业群。每年都需要一大批高、中级技术人才进入电子封装与测试产业群，因为该产业群属于高技术劳动密集型产业。在全球范围内，随着后摩尔时代的到来，电子信息产业的竞争从某种意义上来讲，主要体现在电子产品的封装方面。电子封装已从最初的为芯片提供简单的机械支撑、保护以及相关的电热连接功能等，逐步融入到芯片制造技术和系统集成技术之中。当下，封装对于芯片来说不但是必须的，而且也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片所用的外壳，它不仅起保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是芯片内部通道与外部电路沟通的桥梁^[1]。微电子封装技术的发展随着集成电路的复杂程度增加，有了更多的性能要求：引线逐步增多、尺寸变得更小、内连线更密、散热能力更强、电性能更好以及更低廉的成本等。

封装技术主要影响单芯片和多芯片功率模块以及整个功率电子系统的可靠性和制造成本。高温电子封装技术能否广泛运用，主要取决于高温电子封装技术的可靠性。目前，随着航空航天、国防军工、石油钻井、信息技术、人工智能、汽车等领域的发展，要求芯片具有更大的功率、更高的集成度、更高的可靠性以及更低廉的成本，同时能够在温度高于300℃的恶劣环境下持续工作，这样的更高要求给大功率高温芯片的连接和封装同时带来了新的挑战和机遇，如何提高功率电子器件封装的可靠性成为了封装技术广泛关注的重点。而连接高温功率电子器件的典型工艺就是通过含铅、无铅焊料合金或者导电胶，将半导体芯片的终端与热沉基板连接起来，另一个终端则通过精细的铝线或金线进行引线连接^[1]。

在各种封装技术中，因为粘晶技术的结构简单、电子器件集成度很高并且可其靠性比较好，所以该技术被广泛应用于不同的领域。在功率电子器件的封装单元之中，粘晶技术封装结构基本上满足了大功率电子器件封装的要求。这种封装单元主要分为三个部分，分别是基板、功率芯片，以及界面连接材料。在功率电子器件的封装单元之中，直接连接芯片表面上的金属层与其基板上的金属层即是高温钎料，这样的连接方式就是粘晶技术。在回流过程中，金属间化合物通过焊料与基板表面的金属化层反应得到，并形成焊接点^[2]。因此，金属间化合物可以为芯片与基板提供电连接以及机械连接，同时为封装单元提供散热途径。粘晶技术是功率电子器件封装的重中之重。

高铅焊料（Pb含量：85-97wt.％）通常是应用于高温电子设备（HTE），包括设备用于飞机，汽车，太空和钻井应用。但是，铅元素会损伤人体健康，还会对环境造成严重污染，因此无铅焊料将会逐步取代传统含铅钎料。所以用高温无铅焊料代替铅溶胶的发展至关重要，界面连接材料正由传统的锡铅焊料朝着无铅化发展^[3]。各种候选的无铅焊料中，Zn基合金钎料如Zn-Al、Zn-Al-Cu等，以及导电胶和银焊膏都是可能的替代材料。最近，已经有相当多的研究对各种高温替代品进行了研究，包括Au-rich，Bi-Ag和Zn-基焊料以及纳米银浆。不幸的是，某些显著的缺点限制了它们的应用，例如富含Au的焊料的高成本，低润湿性和Bi-Ag焊料的脆性，以及高成本和孔隙率纳米银组件。相比其他无铅焊料，锌基的钎焊焊料由于具有低廉的成本，较高的熔点，良好的导热导电性能以及较好的流动性能，在实际生产中应用广泛^[3,4]。目前已在机械 、轻工 、仪表 、电机等行业得到越来越多的应用。因此，锌基焊料具有突出的研究价值。

Zn基钎料作为一种常见的中温铝合金钎料，使用温度在377~450℃之间^[5]。由于锌铝的电位差较小互溶能力较强，在钎缝填充时，钎料会以较快的速度向母材中扩散^[4]。因此，能够得到具有较高强度的钎焊接头。在 Zn 中加入合适的合金元素可将锌基钎料的熔化温度范围调整到350 ～ 500 ℃ 之间。纯锌很脆，而且组织不致密，十分容易氧化，若需要提高其组织的致密性以及相关其他性能，可以通过添加合金元素来完成^[6]。已提出Zn-Al基合金作为无铅高温焊料的候选材料，因为其熔化温度比那些Pb-Sn高温焊料的更高。如果在Zn-Al基合金中再添加其他合金元素Mg，Sn，In，Ga和Cu等，可以显著改善其熔化温度、硬度、润湿性^[7]。Zn-Al共晶合金（熔点381℃）可作为使用无铅高温焊料作为铅基焊料的替代品，适用于严酷的工作环境，例如机房装备有逆变器系统以及热机的混合动力车辆^[8.9]。此外，使用Zn-Al基焊料的功率模块结构甚至显示出优异的可靠性，在-40℃和200℃之间的热循环试验已被提出。在先前的一些研究中，焊接的Cu衬底和Zn-4Al之间的界面合金（熔点380℃）进行了重点研究一些金属间化合物的形成和生长化合物（IMC）。

1.2 Zn/Cu固液界面反应

扩散是指两种原子改变原有位置进入彼此对方位置的过程。对于二元合金，由于可能组元间发生相互作用后，形成新相。原子尺寸、电负性和电子浓度是决定相结构的三个主要因素。原子半径相差越大，越容易形成金属间化合物；较大的电负性差值存在于两组元间，形成金属间化合物的可能性越高；原子的电子容纳超过其极限，出现较高的电子浓度，形成金属间化合物的相对性更高。与各组元相比，金属间化合物的晶体结构和性质则完全不同。脆性相作为金属间化合物的一大特征，主要表现在较高强度和硬度。在铜锌固液-界面反应中，液态锌基与固态的铜之间发生扩散，容易形成新的金属间化合物，该金属间化合物中可能同时存在共价键、离子键和金属键^[10,11,12]。根据如图1-1所示的铜锌二元合金相图可以判断出存在α相Cu、β相CuZn、δ相Cu₅Zn₈、ε相CuZn₄和η相Zn。在铜锌固-液界面反应中，由于反应时间和反应温度不同，可能导致出现部分相而不是依次出现一系列的铜锌二元合金相图中的金属间化合物各相。有相关研究表明，在较低的温度和时间内，铜锌固-液界面反应首先是生成CuZn₄，若条件足够，则会有Cu₅Zn₈和CuZn₄两相金属间化合物存在^[13]。当反应时间足够长，则有可能同时存在二元合金相图中各相。在形成的各相中，每一相的厚度等都是不相同的，Cu₅Zn₈相的厚度最大，其次是CuZn₄相，其他相则只有很薄的一层。即是在铜锌固-液界面反应中，主要生成金属间化合物是Cu₅Zn8和CuZn₄。

图1-1：铜锌二元合金相图

当采用Zn-5Al做钎料，在进行焊接时可能会产生与纯锌时不同的金属间化合物^[14,15]。有相关学者研究表明，在使用Zn-5Al做钎料焊接铜时，通过固-液界面反应，产生的金属间化合物仍然是以Cu₅Zn₈和CuZn₄形式存在，但在较短的反应时间内生成的仍然有CuZn金属间化合物^[16,17]。在进行反应生成金属间化合物时，由于铜锌的扩散速率不一样在焊接过程中可能会产生一些柯肯达尔空洞^[3]。柯肯达尔空洞的产生，可能会导致铜锌金属间化合物的脆性增加，降低了其机械性能和电性能等。如果能够通过实验分析出适合的温度和反应时间来降低相关的缺陷，进而提高铜锌金属间化合物的性能，增加其适用性^[17,18]。因此，研究铜锌固-液界面反应生成的金属间化合物和各种反应条件，对于锌基钎焊有着十分重大的意义。

1.3 本文研究工作及意义

Zn-5Al与铜基板的界面反应制备锌基钎焊焊接接头，是在铜锌二元合金相图基础上，在锌中添加了合金元素铝，制备而成的新的钎料进行的。使制备的焊接接头的更加适用，改善其表面形貌，金属间化合物的相和其他一些性能等。在Zn-5Al焊料中，与铜基板反应较长时间后生成的CuZn金属间化合物中间层出现了一些柯肯达尔空洞，这是铜锌固-液界面反应中不曾出现的情况^[3]。国内对于无铅焊料主要是以锡基钎料为主，而锌基钎料的研究和应用相对而言，则少一些。锌基钎料由于其良好的性能，较低的熔点和较低的成本等，从而使锌基焊料的研究具有很广阔的前景，目前国内对其研究力度会逐渐加大，从而解决一些锡基钎料无法胜任的任务。

本文查阅相关资料，不断了解关于电子封装的国内外研究现状，并结合无铅焊料研究前沿，采用锌基焊料制备锌基焊接接头的原理，通过相关文献的阅读，结合实验室现有资源及条件，不断改进优化实验方案，调整整个毕业设计的大框架，使之能够实现相关技术和实验要求。在实验中采用纯铜板作基板，用Zn-5Al作钎料，制备了不同焊接时间、不同焊接温度条件下的锌基钎焊接头，获得了不同厚度的金属间化合物组织。采用控制变量法，先控制焊接温度一定，改变焊接时间，制备同一焊接温度下不同焊接时间的焊接接头；然后改变焊接温度，按照第一组温度下的焊接时间，制备与第一组相同时间的一组焊接接头。设计了焊接时间为三个，不同焊接温度也是三个。以此来判断焊接时间和焊接温度对焊接接头的影响。通过金相显微镜观察焊接生长形成的金属间化合物，分析金属间化合物的形貌、成分以及生长的厚度等，为其后续研究打下坚实的基础。

第2章 锌基钎焊焊接接头制备及检测

2.1 铜基板制备及前处理

铜基板的前处理即是铜板的表面预处理。在铜板切割完成后，对铜基板进行钎焊前除去表面氧化膜及其他杂质物质等的处理。实验所用铜基板是纯度为99.9%的紫铜板，将紫铜板用线切割机切割成10mm×10mm×1mm标准正方形铜基板。根据实验设计及要求，依次经过#400、#800、#1200、#2000及#5000的水磨砂纸手动打磨，除去表面杂质等，采用磨金属金相要求达到标准后，再用无水乙醇对铜基板除油。经无水乙醇除油后用去离子水清洗，然后放入盐酸（50%）中除去表面氧化物，再用去离子水清洗。最后将铜基板置于盛有去离子水的烧杯中，然后用超声波清洗，清洗完成后立即用洗耳球吹干，置于密封袋中抽真空保存。特别需要注意的是，如果不能及时进行钎焊，则在下次使用铜基板钎焊前，先用#5000的水磨砂纸打磨后，重复以上前处理过程后再进行钎焊；在清洗过程中，用镊子夹取铜基板，而不能用手拿，防止再次氧化。

2.2 锌基焊点制备

2.2.1 铜基板锌基钎料焊接

前处理完成后的铜基板，用不锈钢夹子夹持好。将Zn-5Al钎料置于GJ可调恒温熔锡炉中，打开电源，将温度调到预定值，等待Zn-5Al焊料融化。待钎料融化后，用TES1310温度测试仪测量实际温度，减小实验误差。待温度测试仪测量的温度达到预定值后，用玻璃棒将Zn-5Al熔融焊料表面氧化膜挑开，再将夹持好的铜基板迅速浸入熔融焊料中，以防表面又出现氧化膜，并同时用秒表计时。待达到预定时间后，将铜基板取出置于实验台，注意不要被烫伤，待冷却后从不锈钢夹子中取出。

2.2.2 铜基板试样的镶样

将焊接好的铜基板试样用圆钢夹夹持，夹持平稳有效，再置于橡胶模具中。要求两边都不能靠壁，尽可能置于中间。采用自凝牙托粉和义齿基托树脂，调配到适合的浓度，再浇筑于模具中。浇筑时先浇筑圆钢夹内，再浇筑四周，保证试样能够完全浇筑，不出现气孔等缺陷。完全凝固冷却后将镶好的试样取出。浇筑过程中不能出现浇筑不满以及气孔等缺陷。

2.2.3 试样金相制备

将镶好的试样依次用#400、#800、#1200、#2000、#5000及#7000的水磨砂纸置于MP-1B研磨抛光机上打磨，采用自来水冷却，再用无水乙醇对试样表面除油，水洗后用MP-1B研磨抛光机对其抛光，抛光液为氧化铝抛光液，抛光机转速控制在200r/min左右。抛光后用去离子水清洗，清洗后置于盛有去离子水的烧杯中，再用超声波清洗。清洗后用洗耳球立即吹干，吹干后用金相显微镜观察试样。如果观察试样效果不理想，则需要重新打磨抛光清洗后再观察。如果不能够及时观察试样，则再次观察前需要将试样先用#7000的水磨砂纸置于MP-1B研磨抛光机上打磨，之后重复上述实验步骤。特别注意在磨试样时，要将试样观察表面磨平整，不能出现倾斜等。

2.3 锌基焊接层性能检测

将打磨抛光后的试样置于金相显微镜上，先用低倍镜观察，寻找到焊接界面层，找到生长出的金属间化合物，然后换用高倍镜观察，调节好清晰度，最后换用电脑连接金相显微镜观察界面生长形貌和金属间化合物的各个相。依次观察每个试样的金属间化合物的生长形貌，并在电脑中对其进行图片收集，做后续处理。

2.3.1 钎焊接头外观检测