【摘 要】
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Ni-Sn 瞬时液相烧结（Transient Liquid Phase Sintering,TLPS）连接工艺具有连接温度低、耐高温性能好、工艺条件简单且成本低等特点,符合新一代半导体功率器件封装工艺的要求,其连接过程动力学是调控和优化接头组织和性能的理论基础,对新一代功率芯片耐高温TLPS封装具有重要意义。本文通过研究Ni/Sn一维界面反应动力学,确定了 Ni3Sn4化合物中Ni-Sn的互扩散系
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No.51474026）；
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Ni-Sn 瞬时液相烧结（Transient Liquid Phase Sintering,TLPS）连接工艺具有连接温度低、耐高温性能好、工艺条件简单且成本低等特点,符合新一代半导体功率器件封装工艺的要求,其连接过程动力学是调控和优化接头组织和性能的理论基础,对新一代功率芯片耐高温TLPS封装具有重要意义。本文通过研究Ni/Sn一维界面反应动力学,确定了 Ni3Sn4化合物中Ni-Sn的互扩散系数。采用Ni-Sn混合粉末压坯烧结进行物理模拟,系统地研究了 Ni-Sn TLPS过程反应行为;在此基础上,结合反应-扩散理论,建立了 Ni-Sn TLPS过程Ni3Sn4生长的单元体模型和动力学方程,并获得了其隐式解和回归解。通过测量Ni-Sn混合粉末压坯烧结试样中残余Sn的熔化焓,并定义Sn的转化率ψSn作为等温凝固动力学的表征参量,系统研究了 Ni-Sn TLPS过程中,Ni3Sn4化合物生长和等温凝固动力学。最后,制备高Sn含量Ni@Sn核壳结构双金属粉末用于Ni基板TLPS连接,研究了 Ni@Sn TLPS连接接头组织、性能及过程动力学。主要研究结果如下:建立了 Ni/Sn一维固/液界面Ni3Sn4生长的动力学模型及动力学方程,并推导得到了精确分析条件下,即考虑Ni-Sn反应生成Ni3Sn4引起的体积变化条件下,Ni3Sn4生长动力学方程的解lIMG=0.584(（?）t1/2);结合Ni/Sn一维界面反应动力学试验,得到了 Ni3Sn4化合物中Ni-Sn的互扩散系数与温度的关系（?）=3.76 × 10-12exp（-24.76kJ/mol/RT）。研究表明,忽略相转变引起的体积变化对互扩散系数测定结果有明显影响。Ni3Sn4是Ni-Sn TLPS过程中形成的主要金属间化合物:等温凝固过程中即液相Sn被完全消耗前,Ni/Sn反应界面仅有Ni3Sn4形成,并均匀地分布在Ni颗粒周围:等温凝固后即液相Sn被完全消耗后,Ni3Sn开始从Ni3Sn4中形成;据此,基于反应-扩散理论,建立了 Ni-Sn TLPS过程中Ni3Sn4生长的单元体模型及动力学方程;精确分析即考虑Ni-Sn反应生成Ni3Sn4引起的体积变化条件下,得到Ni3Sn4生长动力学方程的隐式解为:r12+0.3397（3.9438r03-2.9438r13）2/3=-0.0691DNi3Sn4t+1.3397r02,r2=（3.9438r03-2.9438r13）1/3,回归解为:r1=r0-0.06184（（?）Ni3Sn4t）0.6969,r2=r0+0.5588（（?）Ni3Sn4t）0.3899。研究结果表明,化合物生长理论分析结果与试验结果吻合良好;Sn的转化率φSn,即等温烧结t时间消耗的Sn的量和初始试样中Sn的含量之比,可以更好地表征Ni-Sn TLPS过程等温凝固动力学;等温烧结温度的升高或初始Ni颗粒粒径的减小会加速Ni-Sn TLPS过程动力学;初始Ni-Sn质量比对Ni3Sn4生长动力学没有影响,但会影响等温凝固动力学:初始Ni-Sn质量比越大,等温凝固动力学越快。对于Ni基板,Ni@Sn粉末TLPS连接与Ni-Sn混合粉末TLPS连接相比,其接头组织更加均匀且孔隙率更低。等温凝固前期,Ni@Sn粉末TLPS和Ni-Sn混合粉末TLPS连接过程动力学（Ni3Sn4生长动力学和等温凝固动力学）差异不大;等温凝固后期,Ni@Sn粉末TLPS连接过程动力学明显快于Ni-Sn混合粉末TLPS,且随着等温烧结时间延长、初始Ni颗粒粒径减小和初始Ni-Sn质量比降低动力学差异增大。Ni/Ni@Sn/Ni TLPS连接接头室温剪切强度最大值出现在等温凝固完成前,其高温剪切强度最大值出现在等温凝固完成时间。随着等温烧结温度升高以及初始液相量增加,接头的室温及高温剪切强度的最大值均有所提升。
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