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摘 要

近些年来，工业上对能在极端高温下存放并保持稳定运行的电子系统的需求增加。特别是汽车电子产品以及航空工业，石油工业等行业，工作环境温度常常达到300℃及以上，因此需要一种能够替代现有硅基器件功能并能耐更高温度，同时也有一定机械强度、耐腐蚀性能的连接技术。而瞬时液相烧结连接（TLPS）技术可在相对低温的条件下完成互连，并且焊点具有耐高温性。此方法显示出优良的应用前景。基于此，本文利用TLPS技术成功制备出耐高温铜铟焊点，借助光学显微镜、扫描电镜来表征焊点界面的形貌、成分和物相。研究互连温度峰值、压强、老化时间对焊点组织形貌、成分、的影响机制。实验结果显示：随着高温烧结时间的增长，焊点内孔洞数量和体积明显减少，产生了更多的致密的金属间化合物，以铜颗粒为骨架的结构更为密实。此外，还设计了焊点的电腐蚀实验，预测瞬时液相烧结制备的铜铟焊点在常温下有一定耐腐蚀性的能力。

关键词：高温功率电子封装；瞬时液相烧结；耐高温铜基焊点；金属间化合物；电化学腐蚀；

Abstract

In recent years, the industrial demand for electronic systems that can be stored at extremely high temperatures and operate stably has increased. Especially in the automotive electronic products industry, aviation industry, petroleum industry and other industries, the working environment temperature often reaches 300 ℃ or above, so it needs a connection technology which can replace the existing silicon-based device function and can withstand higher temperature, but also has certain mechanical strength and corrosion resistance. The TLPs technology can interconnect at relatively low temperature, and the solder joints have high temperature resistance, showing a good application prospect. Based on this, TLPs technology was used to prepare high temperature resistant copper indium solder joints. The morphology, composition and phase of the interface were characterized by optical microscope and scanning electron microscope. The influence mechanism of temperature peak, pressure and aging time on microstructure, composition and properties of solder joints was studied. The experimental results show that with the increase of high temperature sintering time, the number and volume of pores in the solder joint are significantly reduced, more dense intermetallic compounds are produced, and the structure with copper particles as the skeleton is more dense. In addition, the electric corrosion experiment of the solder joint was designed to predict that the copper indium solder joint prepared by instantaneous liquid phase sintering has certain corrosion resistance at room temperature.

Key Words：high temperature power electronic packaging; transient liquid phase diffusion bonding; high temperature resistant copper based solder joint; intermetallic compound; electrochemical corrosion;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 高温无铅焊料 2

1.2 瞬时液相烧结技术 3

1.3 高温铜铟焊点 5

1.4 本文研究工作及意义 6

第2章 耐高温铜铟焊点的制备 9

2.1 实验材料及仪器 9

2.1.1 实验材料 9

2.1.2实验设备 9

2.2 实验过程 9

2.2.1铜基板预处理 10

2.2.2 焊膏的制备 10

2.2.3 真空炉中施焊 10

2.3 耐高温铜铟焊点的表征及性能检测 12

2.3.1 焊点的物相表征 12

2.3.2 焊点微观形貌和成分的测定 12

2.4 耐高温铜铟焊点的耐腐蚀性探究（拟进行） 12

第3章 实验结果与分析 14

3.1 铜铟焊点的界面形貌 14

3.2 铜铟焊点的组织分析 15

3.3 铜铟焊点耐腐蚀性预测 16

第4章 实验总结与展望 18

4.1 耐高温铜铟焊点制备的试验结论 18

4.2 研究展望 18

参考文献 20

致谢 24

第1章 绪论

1.1 高温无铅焊料

近些年来，工业上对能在极端高温环境中存放并保持稳定运行的电子系统的需求增加，特别是在汽车电子产品以及航空工业，石油工业等领域。航空工业上兴起的电动飞机发动机控制系统温度时常达到250°C甚至更高。深层石油天然气钻探工具内部控制传感器件需要承受300°C的高温。传统硅基材料及其封装技术一般不能在超过150°C的环境下保持正常工作，因此，在300°C以及更高温度环境下，需要一种能够替代现有硅基器件功能并能耐更高温度，同时也有一定的机械强度，耐腐蚀性能的焊接材料^[1]。高铅焊料（铅质量百分比大于85%）由于其耐高温的物理性质，以及优良的机械性能，在功率电子器件方面，得到了广泛的研究与应用。但是由于高铅焊料有着巨大的毒性，高铅焊料无铅化成为一个重要的研究课题。许多学者对传统软钎料合金焊点的高温性质进行了广泛而深入的研究，主要集中在Au-Sn、Bi基合金、Sn-Sb基合金以及Zn-Al基合金等合金元素^[2]。各种合金焊点性能如表1.1。

表1.1 典型高温软钎料合金焊点性能

由表1.1可知，软钎焊工艺制备的焊点再融温度一般不超过350℃，因此，当功率器件在高温环境中使用时，使用这些连接材料互连的芯片将无法保持原有性能持续工作。

1.2 瞬时液相烧结技术

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