摘 要

功率器件中的Cu互连焊点通常需要具备低温制备高温服役的要求。目前常用的封装材料纳米银浆和Au基高温焊料因其制备成本高昂使其应用受到了一定的限制。因此本课题提出采用Cu-Ni合金泡沫增强Sn基复合焊料来制备Cu互连焊点以降低工业成本，并实现焊点的低温制备高温服役的性能要求。论文主要研究了Sn基焊料成份及钎焊工艺对接头显微结构及力学性能的影响，并揭示接头显微结构及力学性能之间的内在联系，研究结果对泡沫金属增强Sn基复合焊料在功率器件封装中的应用具有重要理论指导意义。

本文选用Cu-Ni合金泡沫/Sn基复合钎料片，改变钎料片参数和焊接时间，在260℃对T2紫铜柱的焊接，对焊接接头的组织进行观察比较，并测试接头的剪切性能。其中使用的是四种Cu-Ni合金泡沫/Sn基复合钎料片，变化参数主要是其Cu原子占比分别为15%、30%、50%、65%。焊接时间10min和120min。最终对于8个参数的焊接接头组织性能进行了比较。

研究结果表明：相同钎料参数下，焊接时间120min焊接接头的反应骨架比焊接时间10min更迅速，且焊接120min的焊接接头其剪切性能明显优于焊接10min焊接接头。同一焊接时间下，随着焊接接头的Cu原子占比的增加，焊接接头内骨架反应加快。焊接10min的焊接接头其剪切强度随着钎料片Cu原子占比的增加而增加。焊接120min的焊接接头其剪切强度随着钎料片Cu原子占比的增加，先增加后下降，而Cu原子占比50%的焊接接头性能最优。

本文的特色：在无铅焊料的研究背景下，为降低目前电子封装过程中焊料工业成本提供一种思路，并且选用Cu-Ni合金泡沫增强Sn基复合焊料其性能较好，实现可高温服役焊点的低温制备。

关键词：TLP；Cu-Ni合金泡沫；Sn基焊料；力学性能

Abstract

Cu interconnect solder joints in power devices are usually required to meet the requirements of low temperature preparation and high temperature service.At present, the application of nano-silver paste and Au based high-temperature solder is limited due to the high cost of preparation.Therefore, this project proposes to use Cu-Ni alloy foam reinforced Sn-based composite solder to prepare Cu interconnect solder to reduce the industrial cost, and realize the solder's low temperature preparation and high temperature service performance requirements.This paper mainly studies the influence of Sn-based solder composition and brazing process on the microstructure and mechanical properties of the joint, and reveals the internal relationship between the microstructure and mechanical properties of the joint. The research results have important theoretical guiding significance for the application of metal foam-reinforced Sn-based composite solder in power device packaging.

This article selects the Cu - Ni alloy foam/Sn based composite solder pieces, change the solder parameters and welding time, welding at 260 ℃ for T2 copper column, comparing observation of welding joint organization, and the shear properties of the joint test.Four kinds of Cu-Ni alloy foam/Sn-based composite filler metals were used, and the main parameters were that the proportion of Cu atoms was 15%, 30%, 50% and 65%, respectively.The welding time is 10min and 120min.Finally, the microstructure and properties of the welded joints with 8 parameters were compared.

The results show that under the same solder parameters, the reactive skeleton of the welded joints at 120min welding time is faster than that at 10min welding time, and the shear performance of the welded joints at 120min welding time is obviously better than that of the welded joints at 10min welding time.At the same welding time, with the increase of Cu atom proportion in the welded joint, the skeleton reaction in the welded joint is accelerated.The shear strength of welded joints with welding time of 10min increased with the increase of Cu atom proportion of the filler metal.The shear strength of welded joints for 120min increased first and then decreased with the increase of Cu atom proportion of the filler metal, and the welded joints with Cu atom proportion of 50% had the best performance.

Characteristics of this paper: in the research background of lead-free solder, it provides an idea to reduce the industrial cost of solder in the current electronic packaging process, and the properties of Cu-Ni alloy foam reinforced Sn base composite solder are better, so as to realize the low-temperature preparation of solder joints with high-temperature service.

Key Words：TLP；Cu-Ni alloy foam；Sn based solder；mechanical property

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 瞬间液相扩散焊（TLP）的焊接过程研究现状 2

1.2.2 无铅复合焊料的研究现状 3

1.2.3 低温焊接研究现状 3

1.3 本课题主要研究内容 4

第2章 实验材料、设备及方法 5

2.1 实验材料 5

2.1.1 母材 5

2.1.2 复合焊料片 5

2.2 实验设备 5

2.3 实验方法 6

2.3.1 Cu-Ni合金泡沫/Sn基复合钎料片的制备 6

2.3.2 T2紫铜柱的焊接 8

2.3.3 剪切测试 10

2.3.4 制样观察 11

第3章 结果与讨论 12

3.1 Sn基复合钎料片组织变化 12

3.1.1 Ni骨架电镀Cu层和烧结 12

3.1.2 Sn基复合钎料片 13

3.2 T2紫铜柱的焊接显微组织结构 14

3.2.1不同时间对于组织变化的影响 14

3.2.2 不同Cu原子占比对于组织变化的影响 16

3.2.3 剪切测试的性能比较 17

第4章 结论 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景

现代电子信息产业的高速发展，带来的是相关各类型功率器件迅猛发展，来满足市场对于产品所需的性能指标，其与之关联的集成电路技术也随着科技的进步与市场的需求飞速发展。集成电路的发展和电子产品的市场化应用，催生了承担为功率器件提供稳定的工作环境、保护集成电路、实现外部连接的电子封装技术，而焊接作为其中的重要组成部分。

由于传统的Sn-Pb焊料具有廉价、可焊性、焊接接头优良的机械性能的优点，而被广泛运用于电子功率元器件的连接和印刷电路板的标准材料。但近些年来，对于健康与环境的持续关注，无铅焊料开始逐渐进入人们的研究视野。就目前而言，对于无Pb的几种合金中，Sn-Ag-Cu合金的相对较低的熔点、易焊接、机械性能、拉伸强度、蠕变特性较优于Sn-Cu、Sn-In、Sn-Ag-Bi、Sn-Zn-Bi等几种合金。考虑电子功率器件的工作状况主要以高温服役为主，而相对焊点的失效断裂的原因在于，高温服役过程中，促使焊接接头中存在的焊接孔洞使得焊接接头的力学性能下降，接头组织上的金属间化合物（IMC）的长大使得母材与焊缝的连接强度减弱，因此保证或提升其良好的可焊性和可靠性显得尤为重要。在这一背景下，目前的研究现况，主要围绕Sn-Ag-Cu焊料的性能研究以改善焊点的性能，大量的添加剂的加入如稀土、Bi、In、Cu、Ni和ZrO₂或加入超声波等技术进行辅助焊接来达到改善组织的效果。

电子功率器件中的Cu互连焊点通常需要在较高的温度下服役，但在封装过程中为了保证器件不受到损伤其封装过程需在较低的温度下进行。Sn-Ag-Cu焊料由于其良好的润湿性、优异的界面性能、高蠕变阻力等优点，无疑是最有希望替代传统锡铅焊料的无铅焊料。因此目前的国际研究重点放在一方面在于添加Cu、Ag、In等多种金属元素、稀土元素构成多元合金使得焊点性能的优化，另一方面在于改善钎剂和焊料合金化使得焊料易于焊接母材金属。但考虑到目前常用的功率器件封装材料有纳米银浆和Au基高温焊料，当前Sn-Ag-Cu焊料因其较高的Ag含量，造成其焊点制备成本高昂，使其焊料的推广受到一定限制。目前仅有性能优良的焊料不足以适应电子信息市场快速的发展和其庞大的需求，因此尽可能降低焊料的成本并保证在较低的温度制备出服役温度较高的互连焊点一直以来都是学术及工业界关注的重点。