insnxcu复合颗粒tlp焊点键合工艺的研究【字数：12143】
在汽车，航空航天，深井钻探和能源生产的工业领域中，对工业中的高温电子器件的需求正在增加。同时，第三代半导体的特点是低功率效率和高导热性，可以承受更高的工作温度。这给芯片材料和微电子封装技术带来了许多挑战。传统的微电子连接方法不能满足功率器件封装的制造要求，需要开发新的低温互连技术，而瞬时液相连接（TLP)可以满足这一要求。本文主要研究键合工艺对Cu/In-Sn-xCu/Cu焊点组织和拉伸性能的影响，首先确定最佳的钎料成分，其次采用不同的键合时间、键合压力和键合温度，研究了TLP焊点中基体IMCs和界面显微组织，以及分析焊点的剪切强度，确定最佳的键合工艺。观察Cu含量对In-Sn钎料的组织和力学性能分析，当Cu含量为20%时，焊点高度和界面IMC层厚度逐渐增加，焊点的剪切强度较高；因此，确定钎料成分为In-Sn-20Cu。随着键合时间的增加，高强度的IMCs数量先增加后减小，同时观察黑色组织物在键合时间为15min相对较少，IMCs在这个时间内数量较多且分布较为集中；焊点的剪切强度随键合时间先增大后减小，在键合时间为15min时，剪切强度达到最大,为26.97MPa；随着键合压力的增大，焊点组织中黑色组织相先减少后逐渐增多，在3MPa时数量最少。当键合压力进一步增加，黑色组织物变得又粗又厚，且分布密集；剪切强度随键合压力的增加而先增大后减小，在键合压力为3MPa时，剪切强度达到最大,为23.78MPa；随着键合温度的升高，焊点组织的高强度IMCs增多，黑色组织物逐渐较少，在键合温度为260℃达到最优。当键合温度进一步升高，黑色组织变得又粗又厚，在键合温度为300℃是，由于元素受温度影响扩散速率不同而造成孔洞逐渐出现；剪切强度随键合温度升高而先增大后减小并最后趋于平缓，在键合温度为260℃时，剪切强度达到最大,为29.12MPa综合分析金相组织和焊点的拉伸性能，确定In-Sn-20Cu的最佳键合工艺参数为15min，3MPa，260℃。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.1.1课题研究背景 1
1.1.2课题研究意义 1
1.2无铅钎料简介 2
1.2.1 InSn基合金钎料 2
1.2.2 SnCu基合金钎料 2
1.3国内 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
外课题研究现状 3
1.4课题研究主要内容 5
第二章 实验过程及研究方法 5
2.1 实验材料的制备 5
2.1.1试样基板的制备 5
2.1.2复合粉末钎料的制备 5
2.1.3制备焊点试样 6
2.2实验方法 6
2.2.1微观组织分析 6
2.2.2力学性能分析 7
2.3实验设备 7
2.4本章小结 8
第三章Cu含量对InSn复合钎料焊点组织和力学性能的规律 8
3.1 Cu含量对InSn复合钎料焊点显微组织的变化规律 8
3.2 Cu含量对InSn复合钎料焊点力学性能的变化规律 8
3.3本章小结 14
第四章 键合温度对InSn20Cu钎料焊点组织和力学性能的规律 14
4.1键合温度对InSn20Cu钎料焊点组织的规律 14
4.2键合温度对InSn20Cu钎料力学性能的规律 15
4.3本章小结 18
第五章 键合时间对InSn20Cu钎料焊点组织和力学性能的规律 14
5.1键合时间对InSn20Cu钎料焊点组织的规律 14
5.2键合时间对InSn20Cu钎料力学性能的规律 15
5.3本章小结 18
第六章 键合压力对InSn20Cu钎料焊点组织和力学性能的规律 14
6.1键合压力对InSn20Cu钎料焊点组织的规律 14
6.2键合压力对InSn20Cu钎料力学性能的规律 15
6.3本章小结 18
第七章 结论与展望 18
7.1结论 18
7.2展望 18
参考文献 20
致谢 22 第一章 绪论
1.1课题研究背景与意义
1.1.1 课题研究背景
在传统的钎焊工艺中，一般存在降温凝固的过程，即熔融态的钎料在降温过程中发生形核结晶并长大，消耗液相最终形成固态接头。但存在如下问题，母材和钎料的相互扩散程度较低，导致最终获得的接头在成分、组织上存在不连续性。而在TLP 工艺中，由于非同类金属元素充分扩散，焊接接头的组织成分相不相同与母材，甚至母材表面会有金属原子渗透进入中间层，得到的焊接接头一般具有较高的强度。同时液态凝固的方式与传统钎焊不尽相同，由于高熔点组织元素原子向中间层的扩散，将显著提高互连接头的重熔温度，并具有更加良好的抗高温性能。
与此同时，随着材料科学的发展，新材料不断出现。在生产应用中，经常遇到新材料或与其他材料连接。一些新材料，例如陶瓷，金属间化合物，非晶材料和单晶合金，难以通过传统的熔焊方法实现可靠的连接。一些特殊高性能部件的制造通常需要具有不同性能的不同材料，例如金属和陶瓷，铝和钢，钛和钢，金属和玻璃，并且难以实现传统的熔焊方法。为了满足这一要求，近年来，作为固相连接的方法之一，瞬态连接（TLP）技术引起了人们的关注，成为连接领域的一个新的研究热点。瞬态液相连接（TLP）方法正在迅速发展。该技术已广泛应用于航空航天，仪器仪表，电子等国防部门，并逐步扩展到机械，化工，汽车制造等领域。
1.1.2 课题研究意义
TLP技术具有自动化程度高、无宏观变形、无烟尘飞溅的优越性，并已逐渐被国内广大焊接工作者所接受。随着制造业市场竞争的发展,通过及更新工艺、使用新技术对交货期限、产品外观、原材料消耗等进行精细控制将成企业管理稳妥、有效的途径,可大幅度降低人为干扰因素对焊接质量、生产率及成本消耗的不确定性影响,有一劳永逸之效。特别是在绿色制造思想的普及和人力成本逐渐增加的发展态势下,先进的TLP焊管技术在代替手工焊条电弧焊焊接方面,特别是在熔焊易烧的薄壁管与需开坡口的厚壁管的焊接方面,具有十分巨大的发展潜力。因此加强对钢管液相扩散焊对焊这一新技术的宣传及推广应用, 对于提升国内钢管焊接技术水平具有十分重要的意义。
1.2无铅钎料简介
1.2.1 InSn基合金钎料
铟锡(InSn)二元合金相图如图1.1所示，铟锡合金的共晶成分为In48Sn，共晶点温度为391 K(118℃)，该成分合金具有较低的熔点，能够满足一些重要元器件封装的温度要求。铟锡共晶组织有两种基体相构成，分别为具有四方结构的β相和具有密排六方结构的γ相。其中，β相中的化合物成分为In3Sn，γ相中的化合物成分为InSn4，二者的存在使铟锡共晶呈现出典型的离异共晶组织形式。所以，铟锡共晶组织相对于铟锌和锡锌的共晶组织来说比较复杂.[1]
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图1.1 InSn的合金相图
1.2.2 SnCu基合金钎料
SnCu的合金相图如图1.2所示， SnCu系无铅钎料的共晶成分是Sn0.7Cu，其熔点为227 ℃，在室温下形成Sn和Cu6Sn5共晶组织。Sn0.7Cu共晶合金在凝固时，Cu与Sn反应生成颗粒状或棒状的Cu6Sn5金属间化合物，弥散分布在树枝状的βSn基体上。此外，Sn0.7Cu钎料具有较高的强度（屈服强度为37Ｍpa），较好塑性（伸长率为45％）以及较低的电阻率（10～15μΩｃｍ），综合性能优异。SnCu系无铅钎料的价格与SnPb钎料相比仅增加约20％，是目前成本最低的无铅钎料之一，具有很高的经济性。SnCu系无铅钎料通常选择 Sn0.7Cu作为新型无铅钎料的体合金。[2]
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.1.1课题研究背景 1
1.1.2课题研究意义 1
1.2无铅钎料简介 2
1.2.1 InSn基合金钎料 2
1.2.2 SnCu基合金钎料 2
1.3国内 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
外课题研究现状 3
1.4课题研究主要内容 5
第二章 实验过程及研究方法 5
2.1 实验材料的制备 5
2.1.1试样基板的制备 5
2.1.2复合粉末钎料的制备 5
2.1.3制备焊点试样 6
2.2实验方法 6
2.2.1微观组织分析 6
2.2.2力学性能分析 7
2.3实验设备 7
2.4本章小结 8
第三章Cu含量对InSn复合钎料焊点组织和力学性能的规律 8
3.1 Cu含量对InSn复合钎料焊点显微组织的变化规律 8
3.2 Cu含量对InSn复合钎料焊点力学性能的变化规律 8
3.3本章小结 14
第四章 键合温度对InSn20Cu钎料焊点组织和力学性能的规律 14
4.1键合温度对InSn20Cu钎料焊点组织的规律 14
4.2键合温度对InSn20Cu钎料力学性能的规律 15
4.3本章小结 18
第五章 键合时间对InSn20Cu钎料焊点组织和力学性能的规律 14
5.1键合时间对InSn20Cu钎料焊点组织的规律 14
5.2键合时间对InSn20Cu钎料力学性能的规律 15
5.3本章小结 18
第六章 键合压力对InSn20Cu钎料焊点组织和力学性能的规律 14
6.1键合压力对InSn20Cu钎料焊点组织的规律 14
6.2键合压力对InSn20Cu钎料力学性能的规律 15
6.3本章小结 18
第七章 结论与展望 18
7.1结论 18
7.2展望 18
参考文献 20
致谢 22 第一章 绪论
1.1课题研究背景与意义
1.1.1 课题研究背景
在传统的钎焊工艺中，一般存在降温凝固的过程，即熔融态的钎料在降温过程中发生形核结晶并长大，消耗液相最终形成固态接头。但存在如下问题，母材和钎料的相互扩散程度较低，导致最终获得的接头在成分、组织上存在不连续性。而在TLP 工艺中，由于非同类金属元素充分扩散，焊接接头的组织成分相不相同与母材，甚至母材表面会有金属原子渗透进入中间层，得到的焊接接头一般具有较高的强度。同时液态凝固的方式与传统钎焊不尽相同，由于高熔点组织元素原子向中间层的扩散，将显著提高互连接头的重熔温度，并具有更加良好的抗高温性能。
与此同时，随着材料科学的发展，新材料不断出现。在生产应用中，经常遇到新材料或与其他材料连接。一些新材料，例如陶瓷，金属间化合物，非晶材料和单晶合金，难以通过传统的熔焊方法实现可靠的连接。一些特殊高性能部件的制造通常需要具有不同性能的不同材料，例如金属和陶瓷，铝和钢，钛和钢，金属和玻璃，并且难以实现传统的熔焊方法。为了满足这一要求，近年来，作为固相连接的方法之一，瞬态连接（TLP）技术引起了人们的关注，成为连接领域的一个新的研究热点。瞬态液相连接（TLP）方法正在迅速发展。该技术已广泛应用于航空航天，仪器仪表，电子等国防部门，并逐步扩展到机械，化工，汽车制造等领域。
1.1.2 课题研究意义
TLP技术具有自动化程度高、无宏观变形、无烟尘飞溅的优越性，并已逐渐被国内广大焊接工作者所接受。随着制造业市场竞争的发展,通过及更新工艺、使用新技术对交货期限、产品外观、原材料消耗等进行精细控制将成企业管理稳妥、有效的途径,可大幅度降低人为干扰因素对焊接质量、生产率及成本消耗的不确定性影响,有一劳永逸之效。特别是在绿色制造思想的普及和人力成本逐渐增加的发展态势下,先进的TLP焊管技术在代替手工焊条电弧焊焊接方面,特别是在熔焊易烧的薄壁管与需开坡口的厚壁管的焊接方面,具有十分巨大的发展潜力。因此加强对钢管液相扩散焊对焊这一新技术的宣传及推广应用, 对于提升国内钢管焊接技术水平具有十分重要的意义。
1.2无铅钎料简介
1.2.1 InSn基合金钎料
铟锡(InSn)二元合金相图如图1.1所示，铟锡合金的共晶成分为In48Sn，共晶点温度为391 K(118℃)，该成分合金具有较低的熔点，能够满足一些重要元器件封装的温度要求。铟锡共晶组织有两种基体相构成，分别为具有四方结构的β相和具有密排六方结构的γ相。其中，β相中的化合物成分为In3Sn，γ相中的化合物成分为InSn4，二者的存在使铟锡共晶呈现出典型的离异共晶组织形式。所以，铟锡共晶组织相对于铟锌和锡锌的共晶组织来说比较复杂.[1]
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图1.1 InSn的合金相图
1.2.2 SnCu基合金钎料
SnCu的合金相图如图1.2所示， SnCu系无铅钎料的共晶成分是Sn0.7Cu，其熔点为227 ℃，在室温下形成Sn和Cu6Sn5共晶组织。Sn0.7Cu共晶合金在凝固时，Cu与Sn反应生成颗粒状或棒状的Cu6Sn5金属间化合物，弥散分布在树枝状的βSn基体上。此外，Sn0.7Cu钎料具有较高的强度（屈服强度为37Ｍpa），较好塑性（伸长率为45％）以及较低的电阻率（10～15μΩｃｍ），综合性能优异。SnCu系无铅钎料的价格与SnPb钎料相比仅增加约20％，是目前成本最低的无铅钎料之一，具有很高的经济性。SnCu系无铅钎料通常选择 Sn0.7Cu作为新型无铅钎料的体合金。[2]
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