Ag@Sn核壳结构高温钎料界面反应与焊缝性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:styi613
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随着电子产品向小型化和多功能化方向发展,芯片的发热量越来越大。尤其是应用在石油开采、航空航天、混合动力汽车等领域的电子器件工作温度更高。对于高温钎料的需求逐年增加,而现有的这些高温钎料都有一定的局限性。Ag@Sn核壳结构高温钎料通过对传统瞬间液相连接方法进行结构上的调整,能够在极短时间内形成可以在高温环境下服役的焊点,是一种很有潜力的新型高温钎料。但是,Ag@Sn粉体制备工艺不稳定,形成的焊点组织和性能有较大的提升空间。因此,本课题通过工艺和结构上的调整以及对Ag/Sn、Cu/Sn/Ag界面的进一步研究,优化了Ag@Sn粉体的制备方法以及所形成焊点的结构、组织和性能,使Ag@Sn粉体成为更完善、更有竞争力的高温钎料。  针对Ag@Sn粉体制备工艺的不足,进行了镀锡工艺优化。通过对镀覆过程中的工艺因素进行排查,确定了对Ag@Sn粉体制备工艺稳定性和包覆效果影响最大的五个因素,包括:Ag粉预处理工艺、镀液pH、转子长度、转速和镀后处理工艺。优化后的Ag@Sn粉体制备工艺成功率较高且包覆效果较好。通过减小Ag@Sn粉体的镀锡层厚度,焊点的孔洞问题得以有效解决。焊点最高服役温度、剪切强度和导电性能均有所提升,回流所需时间缩短,且由于界面相变为ζ-Ag,剪切试验中延性断裂增多。实验中发现,界面处有Sn残留的情况下ζ-Ag不会生长,因此本文对Ag3Sn和ζ-Ag的生长关系进行了讨论,认为这是由于残余Sn能够通过晶界扩散通道快速地穿过Ag3Sn层从而对ζ-Ag的长大产生抑制。为了进一步考察Ag@Sn粉体对Cu焊盘的适应性,对Ag/Sn/Cu瞬间液相连接焊点的界面组织与性能进行了研究,发现Cu-Sn金属间化合物与Ag-Sn金属间化合物之间不存在孔洞缺陷。这意味着将基板材料换成铜板后,并不会造成预制片与基板之间界面性能的弱化。  为了考察Ag@Sn焊点在长时间高温服役过程中和冷热冲击下的可靠性,对Ag@Sn焊点进行了老化试验与热循环试验。在200℃下老化两周之后,Ag@Sn焊点显微组织中没有观察到孔洞的增加,主要相由Ag/ζ-Ag转变为Ag/Ag(Sn)固溶体,球间金属间化合物层增厚且由平滑变得犬牙交错。老化之后,Ag@Sn焊点剪切强度略有下降,断口处观察到剪切带的增多,表明发生更多的延性断裂。1500周热循环试验后,只有少数Ag@Sn焊点失效,基板界面金属间化合物层过厚导致的界面开裂在失效方式中占大多数。对薄镀锡层的Ag@Sn焊点进行的热循环试验表明,减小Ag@Sn粉体的镀锡厚度可以有效地减少热循环过程中球间金属间化合物层微裂纹的形成,并避免预制片内部横向开裂的发生。针对以预制片为形式的Ag@Sn钎料对基板平整度适应性差的问题,探索了Ag@Sn钎料膏的制备。试验发现,以助焊膏作为分散剂的Ag@Sn钎料膏能够实现Cu-Cu互连。离子研磨后,界面显微组织SEM图像表明钎料膏与两侧Cu基板形成了有效连接;Ag@Sn钎料膏焊点的平均剪切强度为27.27MPa,断裂从两侧界面处开始,之后撕裂焊点内部。
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