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基于 Cu、Sn 預成型焊片的高溫 SiC 芯片焊接材料研

文章出處:網絡 人氣:發表時間:2019-09-18 20:35

電力電子模塊在電動汽車、航空航天、軌道交通等方面的使用越來越廣泛。第三代寬禁帶半導體如 SiC,因具有高熔點、高功率密度以及優越的導熱導電性能成為替代 Si 芯片的最優材料,要發揮SiC 芯片的優越性能,耐高溫的芯片焊接材料和焊接技術是關鍵。

傳統的高溫焊接 材 料 包 括 Au-Sn,Bi-Ag-xSn-xPb、Sn-Pb-Ag

因 Au、Ag 貴金屬成本高,焊接溫度在 280 ~ 330℃,影響溫度敏感元器件性能。隨著歐盟對 Pb 等有毒金屬限制條令的頒布,含 Pb 器件及產品逐步退出市場。雖然對電力電子產品給出了豁免期限,但高溫無鉛替代產品及焊接材料研發已迫在眉睫。

日本一本免费一 三区 目前研究較多的高溫無鉛焊接材料包括燒結納米銀技術及 Cu-Sn、Ni-Sn 或 Au-Sn 的瞬時液相擴散焊( Transient Liquid Phase Welding,TLP) 技術。

日本一本免费一 三区 納米銀燒結焊接技術相比于其他幾種技術具有比較優異的高溫性能。但是,該技術不僅需要較高的成本,而且納米銀容易遷移導致空洞率較高,同時,其焊接工藝與傳統的焊接技術不兼容,導致應用受到限制。

日本一本免费一 三区 瞬時液相擴散焊接技術利用低熔點金屬( 如Sn、In 等) 與兩側高熔點金屬( 如 Cu、Ni、Au 等) 形成三明治結構,回流過程,低熔點金屬熔化,與高熔點金屬發生固液互擴散,形成完全界面金屬間化合物的焊接界面。利用這種焊接技術的焊接層厚度一般小于 20μm,不利于吸收因芯片及基板等系統材料熱膨脹系數適配產生的熱應力,難以滿足電力電子器件高可靠封裝的需要。

本文針對現有焊接技術的不足,提出了 Cu、Sn復合粉末預成型焊片-低溫固液互擴散技術制備耐高溫、高性能三維網絡結構接頭制備技術。該接頭尺寸不受限制,有效彌補了現有 TLP 技術的不足,同時采用粉末冶金的方法制備預成型焊片,簡化了膏體的絲網印刷工藝,避免污染。本文主要采用 Cu、Sn作為焊料的主要成分,能夠大大降低焊接的原料成本的同時,還能與現有的焊接工藝結合,使其價格與傳統的高鉛焊料基本一致( 傳統高鉛焊料價格均價約為 200 元/ kg) 。

本文基于 Cu、Sn 復合粉末預成型焊片的新型TLPS 焊接技術,開展了對應的接頭結構設計及焊接工藝研究,制備出界金屬( Intermetallic Components,IMCs) 強化 Cu 顆粒的三維網絡 Cu、Cu3Sn、Cu6Sn5

結構接頭,進一步研究了時效過程界面微觀形貌演化及相變機理,揭示了其失效機制。

 

1. 實驗材料及方法

 

采用電鍍方法制備 Cu、Sn 復合粉末。首先,用5% 的乙醇鹽酸溶液對 Cu 粉進行活化。用去離子水對活化后的 Cu 粉進行 3 ~ 5 次清洗,再將干燥后的 Cu 粉末與配置好的錫電鍍液( 甲基磺酸錫、硫脲、次亞磷酸鈉、羧酸、苯二酚等按一定的比例混合) 置于電鍍裝置中,控制電流密度為 0. 1A /cm2,直到 Cu 顆粒表面出現厚度均勻的金屬錫鍍層。過濾出 Cu、Sn 粉末,用去離子水清洗 3 ~ 5 次,在真空干燥箱中于 80℃ 下干燥 12h,最終得到干燥的 Cu、Sn粉末。

稱量 0. 4g 干燥后的 Cu、Sn 復合粉末,使用定制的直徑15mm 模具 在10 ~ 15MPa 壓 力 下,保壓5min。最終制得直徑15mm,厚度 0. 2mm 的預成型焊片。對 DBC 銅基板進行蒸鍍 Sn( 1 ~ 2μm) 的處理,之后將預成型焊片置于兩 DBC( Direct Bonding Copper) 基板之間形成三明治結構,再 放 置 于PINK100 真空焊接爐中,保持氮氣氣氛,加入甲酸還

原劑持續升溫到 250℃,恒溫 4 ~ 10min 進行回流焊接。

將獲得的焊接接頭、切片、金相研拋后,采用掃描電子顯微鏡( SEM) ,X 射線能譜儀( EDS) 表征顆粒在回流前后的微觀結構、形貌和微區成分。采用X 射線衍射( XRD) 分析方法研究了 Cu、Sn 顆粒和接頭反應后的物相成分。在 250℃ 高溫分別時效處理 24h、50h、100h 和 200h,研究了接頭結構形貌演變規律和物相變化,揭示了接頭失效機理。

 

2. 實驗結果與分析

 

原始銅粉及 Cu、Sn 復合粉末的微觀分析與成分分析如圖 1 所示。圖 1( a) 為原始球形銅粉,其平均粒徑在 20μm

左右; 圖 1( b) 為 Cu、Sn 復合粉末的剖面形貌,可以觀察到 Cu 粉表面均勻附著一層 Sn,Sn 層厚度約為2μm; 圖 1 ( c) 為對單個 Cu、Sn 復合粉末的成分分析,可以清晰地看到復合粉末中的元素組成,含有Cu、Sn、O 等元素,其中氧元素的出現可能是在復合粉末制備或者焊接過程再或者掃描電鏡腔室中不可避免地接觸到了氧所導致的。根據 Cu / Sn 元素的比例基本符合制備復合粉末過程中各種元素的用量,Cu 含量遠大于 Sn 含量。通過電鍍 Sn 的方法制得的 Cu、Sn 復合粉末鍍層均勻,鍍層厚度適中,表面光澤度好且粉體表面沒有出現大尺寸晶須或者凹陷等明顯的缺陷,混合效果良好。

Cu、Sn 復合粉末的 XRD 分析結果如圖 2 所示,在 Cu、Sn 復合粉末體系中不存在 Cu6Sn5 /Cu3Sn 等界金屬相,為回流焊接制備三維網絡結構接頭提供了良好的基礎。

采用壓力成型的方法制成的直徑 15mm 預成型焊片,如圖 3 所示,成型壓力為 10 ~ 15MPa,保壓時間為 5min,成型過程中壓力的大小和保壓時間會影響最終的焊接層效果( 主要是焊接層的孔隙率的大小) 。

 

制備的預成型片在 250℃ 的回流溫度下保溫240 ~ 600s,其回流工藝如圖 4 所示。焊接接頭在真空環境下冷卻至室溫后,接頭斷面通過磨拋處理,制備出金相樣品。對不同回流時間的樣品進行 X-Ray分析的結果。如圖 5 所示。

 

 

日本一本免费一 三区 Cu、Sn 預成型焊片在 250℃ 回流溫度下分別保溫 4min、6min、8min、10min,焊接接頭經 X-Ray 孔洞率測試分析可知: 當焊接時間較短( < 8min) 時,焊接接頭三維網絡孔洞率較高,見圖 5( a) 和圖 5( b)所示。隨著焊接時間的延長至 8min 時,焊接接頭孔洞明顯減少,互聯界面連接完整,如圖 5 ( c) 所示。隨著焊接時間進一步增加,孔洞率增加。

 

通過以上對不同回流時間的焊接結果的對比分析,最終確定最佳回流焊機時間為 8min。Cu、Sn 復合粉末在 250℃下回流焊接 8min 后所得的三維網絡微觀結構如圖 6 所示。從圖 6 中可以看到在焊接層與 DBC 銅板接觸處的空洞分布更為密集,有可能影響焊接強度及可靠性,需要進一步優化。

 

日本一本免费一 三区 根據圖 7 所示的焊接層的 XRD 圖片,可以確定焊接層存在 Cu、Cu6Sn5 及 Cu3Sn 等物相。結合圖 6可知,形成了界金屬 Cu3Sn、Cu6Sn5 強化 Cu 顆粒的三維網絡結構。并且從宏觀上形成了連接穩固的焊

接接頭。

日本一本免费一 三区 焊接接 頭 在 250℃ 分 別 經 過 24h、50h、100h、200h 時效處理后的平均孔洞率比較如圖 8 所示。可以發現,隨著時效處理時間的延長生成的三維網絡結構中平均孔洞率逐漸增加。這是由于 Cu 顆粒與 Cu6Sn5 反應生成了 Cu3Sn,而 Cu3Sn 密度高于Cu6Sn5,因此,隨著時間的延長,逐漸增多的柯肯達爾孔洞出現于 Cu 與 Cu3Sn 之間。孔洞是接頭的薄弱環節,可以預見,接頭失效部位應出現在 Cu 顆粒周邊,或裂紋將沿著 Cu 顆粒萌生和發展。

 

 

為抑制或減少孔洞的形成,研究團隊正在探索對 Cu 顆粒進行表面改性研究,通過表面摻雜 Ni 或Co 可有效抑制 Cu3Sn 的形成,進一步的研究正在開展中。

分別對回流后及經過 200 次熱循環后的樣品進行力學性能測試,如圖 9 所示,熱循環后,接頭與基板之 間 的 剪 切 力 明 顯 減 小,由 220MPa 減 小 至80MPa。結合時效分析過程中空洞率隨著時效時間變化的現象,可知在熱循環的整個過程中,三維 Cu、Sn 網絡結構的孔隙率、密度等參數會不斷發生變化。這些參數的持續改變會退化接頭性能,導致焊接接頭剪切強度下降。雖然剪切強度有所下降,但仍然比一般的高鉛焊料( 20MPa) 和燒結納米銀接頭( 39MPa) 要高,這充分說明 Cu、Cu6Sn5、Cu3Sn 的焊接接頭滿足高強度接頭性能的要求,具有較強的穩定性。

 

3. 結論

 

本文基于 Cu、Sn 復合粉末預成型焊片-低溫固液互擴散技術制備出了界金屬強化 Cu 顆粒的三維網絡結構。通過電鍍工藝制備 Cu、Sn 復合粉末、液壓成型制備預成型焊片以及三維網絡接頭結構設計和真空回流焊接工藝研究,獲得 Cu 顆粒強化界面金屬間化合物( IMCs) 三維網絡結構的焊接接頭,并且研究了接頭的可靠性及失效機制。為高溫 SiC 芯片新型焊接材料開發提供理論基礎及技術指導。通過回流焊接可以得到比較完美的三維網絡結構焊接層。針對最后的焊接界面中出現的較多的空

洞,本文提出的改進方案為:

日本一本免费一 三区 ( 1) 選用大小粒徑匹配的球形銅粉作為原料,保證最終粉體的密堆積效果,達到最終減小或消除空洞的目的。

( 2) 增加預成型過程中的壓力值,使粉末密實。

( 3) 調控好合適的焊接時間,防止因 Cu、Sn 金屬間反應進行不完全而導致的空洞。

( 4) Cu 顆粒表面改性,從根本上抑制或減小孔洞的形成。