时效处理对insn20cu复合颗粒tlp焊点组织和性能的影响【字数：13032】
随着社会的进步，人们对高温零件的使用寿命提出了越来越高的要求，传统的封装工艺已经很难满足零件在高温下的服役性能，而瞬时液相扩散焊可以满足这一要求。本文系统的研究了时效处理对In-Sn-20Cu复合粉末焊点组织和性能的影响，目的在于保证焊接接头良好的使用性能。本文在不同的时效时间（24h、72h、120h、168h）和不同的时效温度（220℃、260℃、300℃）对瞬时液相键合焊点进行热场处理，通过光学显微镜分析焊点的微观组织，通过电子万能试验机对焊点进行力学实验确定其剪切性能。结果表明随着时效时间的增加，In-Sn-20Cu复合粉末钎料焊点的显微组织呈现粗化的趋势，界面IMC的厚度也呈现增大趋势；随着时效温度的增加，In-Sn-20Cu复合粉末钎料焊点的显微组织、界面IMC的厚度呈现增大趋势，同时出现孔洞和裂纹，对材料产生不利影响；随着时效时间的增加，In-Sn-20Cu钎料焊点剪切强度呈逐渐下降趋势，未经过时效处理的焊点剪切强度最大，为26.54Mpa，且当时效时间为168h时焊点的剪切强度和未时效的时候相比下降了61.5%；随着时效温度的增加，In-Sn-20Cu钎料焊点剪切强度也呈下降趋势，室温下的接头剪切强度为26.12Mpa,时效温度为300℃时焊点的剪切强度和室温时的剪切强度相比下降了71.9%。
目 录
第1章绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 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 3
1.3国内外课题研究现状 4
1.3.1国外研究现状 4
1.3.2国内研究现状 5
1.4课题研究主要内容 7
第2章 试验过程及研究方法 8
2.1试验材料的制备 8
2.1.1试样基板的制备 8
2.1.2复合粉末钎料的制备 8
2.1.3制备焊点试样 8
2.2试验方法 9
2.2.2显微组织分析 9
2.2.3力学性能测试 10
2.3试验设备 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
/> 2.4本章小结 10
第3章时效处理对焊点界面显微组织演变和界面生长行为的影响 11
3.1引言 11
3.2时效时间对焊点显微组织演变和界面生长行为的影响 11
3.2.1时效时间对焊点显微组织的影响 11
3.2.2时效时间对焊点界面形貌的影响 11
3.3时效温度对焊点显微组织演变和界面生长行为的影响 13
3.3.1时效温度对焊点显微组织的影响 13
3.3.2时效温度对焊点界面生长行为的影响 13
3.4本章小结 14
第4章时效处理对焊点力学性能的影响 16
4.1引言 16
4.2时效时间对焊点剪切性能的影响 16
4.3时效温度对焊点剪切性能的影响 17
4.4本章小结 18
第5章 结论与展望 19
5.1结论 19
5.2展望 19
参考文献 20
致谢 22
第1章绪论
1.1课题的研究背景及意义
1.1.1课题研究背景
近几年来，科技不断发展，人们对于封装技术的要求也越来越高，如今的封装技术主要是朝着小型化、可靠性、多功能方面发展，这也导致焊点的可靠性出现了问题，因为对封装技术的高要求很容易在焊点处出现失效，影响整个零件的性能。在航天航空、宇宙空间站、深井钻井和能源生产等工业应用中，对高温中运行的零件可靠性需求被广泛提出，这给材料的安全性、使用寿命提出来更高要求。传统的焊接方法其母材局部会发生融化,从而产生较大的焊缝区和热影响区,很容易在焊接中产生焊接变形以及焊接残余应力,这会大大影响焊接品质。在一些关键部位上如果所用的材料焊接性较差则有可能影响到服役性能，这将会给经济上带来极大的损失。传统的封装材料以及微连接方式都不能完全满足电力器件封装的要求，为了满足各种性能需求因而开发了新的低温互连技术。由于金属间化合物的产生，瞬态液相键合可以满足低温(<280°C)连接但是高温服役的要求。此外，由于它具有高效率、高性能、体积小等极佳的封装优点，瞬态液相（TLP)键和技术得到了各地研究人员的极大青睐。
瞬态液相键合技术是将两个待焊工件紧紧地压在一起, 并置于真空环境或保护气氛炉内进行加热, 使两个焊接表面处微小的不平处产生细小的塑性变形, 从而达到紧密结合, 在随后的加热保温过程中, 原子之间通过相互扩散而形成冶金连接的焊接方法。
最近人们对于薄膜的探讨研究引起了极大的关注，而复合焊料中间层应用技术[7]因这项技术需要更少的原材料便于实现大规模生产。在这些实验中，经常可以看到焊料中间层（Sn和In）被蒸发或溅射，在衬底上能够产生多层结构。这种特点的多层结构已被应用于微电子封装工程中[8]。然而，随着应用范围的增加，原有多层结构反应形成的IMC层服役温度越来越难以满足各种高温应用环境[9]。除此之外，焊缝之间的焊料和铜界面反应以及随之而来的再熔化后产生原位反应的生长机理也急需进行研究和讨论。
1.1.2课题研究意义
进入21世纪以来，伴随着集成电路（IC）行业以及电子封装和半导体的快速发展，越来越多的专家和学者认为摩尔定律在未来已不再有可能完全满足对集成化技术趋势的预测。[1]微电子信息技术在航天飞机、汽车、火车、移动通讯等领域的要求越来越高，从而对芯片的服役温度提出了进一步更高的要求。传统高温钎焊，热压缩键合以及金属烧结等一系列的解决方案分别受到了高温，高压，高成本的限制而变得越来越不太适用[2]。
近年来，低温过渡液相( low temperature transient liquid phase，LTTLP) 连接技术由于低温连接，高温服役的特性已经能够解决高温封装过程的很多问题，在低温连接过程中它是采用具有比较低的熔点作为中间层材料( 例如锡、铟等材料) 与高熔点的基体金属材料(例如铜、银等)发生扩散反应从而生成具有较高熔点的金属间化合物 ( intermetallic compounds，IMC) 而达到连接状态，因此形成的连接接头具备较高的耐热可靠性能[3]。但是，大多数tlp键合都是在真空或惰性气体中进行，这并不适合工业生产，而且形成完整的IMC焊点这一过程需要较长时间[4]。Greve等人提出了一种新的方法[5]来缩短键合时间，即通过使用Cu、Sn粉末和助焊剂不断进行机械搅拌最终混合成膏状作为钎料中间层，在280°C下液体Sn完全消耗形成IMC层仅需要30min，但由于许多较大的孔洞存在，导致剪切强度相对较低，只有15MPa，不能满足大多数工业使用要求。此外，Nishikawa等人[6]利用纳米Cu颗粒混合助焊剂连接CuCu基板，在300℃下键合30s形成剪切强度为25MPa的IMC层。但是由于键合压力为10MPa，相对于3D封装来说相对较高，故还需要进一步的研究。
目 录
第1章绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 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 3
1.3国内外课题研究现状 4
1.3.1国外研究现状 4
1.3.2国内研究现状 5
1.4课题研究主要内容 7
第2章 试验过程及研究方法 8
2.1试验材料的制备 8
2.1.1试样基板的制备 8
2.1.2复合粉末钎料的制备 8
2.1.3制备焊点试样 8
2.2试验方法 9
2.2.2显微组织分析 9
2.2.3力学性能测试 10
2.3试验设备 10
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/> 2.4本章小结 10
第3章时效处理对焊点界面显微组织演变和界面生长行为的影响 11
3.1引言 11
3.2时效时间对焊点显微组织演变和界面生长行为的影响 11
3.2.1时效时间对焊点显微组织的影响 11
3.2.2时效时间对焊点界面形貌的影响 11
3.3时效温度对焊点显微组织演变和界面生长行为的影响 13
3.3.1时效温度对焊点显微组织的影响 13
3.3.2时效温度对焊点界面生长行为的影响 13
3.4本章小结 14
第4章时效处理对焊点力学性能的影响 16
4.1引言 16
4.2时效时间对焊点剪切性能的影响 16
4.3时效温度对焊点剪切性能的影响 17
4.4本章小结 18
第5章 结论与展望 19
5.1结论 19
5.2展望 19
参考文献 20
致谢 22
第1章绪论
1.1课题的研究背景及意义
1.1.1课题研究背景
近几年来，科技不断发展，人们对于封装技术的要求也越来越高，如今的封装技术主要是朝着小型化、可靠性、多功能方面发展，这也导致焊点的可靠性出现了问题，因为对封装技术的高要求很容易在焊点处出现失效，影响整个零件的性能。在航天航空、宇宙空间站、深井钻井和能源生产等工业应用中，对高温中运行的零件可靠性需求被广泛提出，这给材料的安全性、使用寿命提出来更高要求。传统的焊接方法其母材局部会发生融化,从而产生较大的焊缝区和热影响区,很容易在焊接中产生焊接变形以及焊接残余应力,这会大大影响焊接品质。在一些关键部位上如果所用的材料焊接性较差则有可能影响到服役性能，这将会给经济上带来极大的损失。传统的封装材料以及微连接方式都不能完全满足电力器件封装的要求，为了满足各种性能需求因而开发了新的低温互连技术。由于金属间化合物的产生，瞬态液相键合可以满足低温(<280°C)连接但是高温服役的要求。此外，由于它具有高效率、高性能、体积小等极佳的封装优点，瞬态液相（TLP)键和技术得到了各地研究人员的极大青睐。
瞬态液相键合技术是将两个待焊工件紧紧地压在一起, 并置于真空环境或保护气氛炉内进行加热, 使两个焊接表面处微小的不平处产生细小的塑性变形, 从而达到紧密结合, 在随后的加热保温过程中, 原子之间通过相互扩散而形成冶金连接的焊接方法。
最近人们对于薄膜的探讨研究引起了极大的关注，而复合焊料中间层应用技术[7]因这项技术需要更少的原材料便于实现大规模生产。在这些实验中，经常可以看到焊料中间层（Sn和In）被蒸发或溅射，在衬底上能够产生多层结构。这种特点的多层结构已被应用于微电子封装工程中[8]。然而，随着应用范围的增加，原有多层结构反应形成的IMC层服役温度越来越难以满足各种高温应用环境[9]。除此之外，焊缝之间的焊料和铜界面反应以及随之而来的再熔化后产生原位反应的生长机理也急需进行研究和讨论。
1.1.2课题研究意义
进入21世纪以来，伴随着集成电路（IC）行业以及电子封装和半导体的快速发展，越来越多的专家和学者认为摩尔定律在未来已不再有可能完全满足对集成化技术趋势的预测。[1]微电子信息技术在航天飞机、汽车、火车、移动通讯等领域的要求越来越高，从而对芯片的服役温度提出了进一步更高的要求。传统高温钎焊，热压缩键合以及金属烧结等一系列的解决方案分别受到了高温，高压，高成本的限制而变得越来越不太适用[2]。
近年来，低温过渡液相( low temperature transient liquid phase，LTTLP) 连接技术由于低温连接，高温服役的特性已经能够解决高温封装过程的很多问题，在低温连接过程中它是采用具有比较低的熔点作为中间层材料( 例如锡、铟等材料) 与高熔点的基体金属材料(例如铜、银等)发生扩散反应从而生成具有较高熔点的金属间化合物 ( intermetallic compounds，IMC) 而达到连接状态，因此形成的连接接头具备较高的耐热可靠性能[3]。但是，大多数tlp键合都是在真空或惰性气体中进行，这并不适合工业生产，而且形成完整的IMC焊点这一过程需要较长时间[4]。Greve等人提出了一种新的方法[5]来缩短键合时间，即通过使用Cu、Sn粉末和助焊剂不断进行机械搅拌最终混合成膏状作为钎料中间层，在280°C下液体Sn完全消耗形成IMC层仅需要30min，但由于许多较大的孔洞存在，导致剪切强度相对较低，只有15MPa，不能满足大多数工业使用要求。此外，Nishikawa等人[6]利用纳米Cu颗粒混合助焊剂连接CuCu基板，在300℃下键合30s形成剪切强度为25MPa的IMC层。但是由于键合压力为10MPa，相对于3D封装来说相对较高，故还需要进一步的研究。
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