【摘 要】
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以SiC、GaN为代表的第三代半导体因其具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、更大的功率密度、可以在高温下工作等优良特性,受到人们的广泛青睐。与之匹配的新型焊接方法瞬时液相连接技术（TLP）得到广泛的使用。TLP中全金属间化合物（IMC）焊点因其性价比高、可以实现“低温连接,高温服役”,成为研究热点。但传统制备全IMC方法需要长时间或高温处理,会对功率器件的可靠性带来隐患,生成的全IMC焊点力学性能
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以SiC、GaN为代表的第三代半导体因其具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、更大的功率密度、可以在高温下工作等优良特性,受到人们的广泛青睐。与之匹配的新型焊接方法瞬时液相连接技术（TLP）得到广泛的使用。TLP中全金属间化合物（IMC）焊点因其性价比高、可以实现“低温连接,高温服役”,成为研究热点。但传统制备全IMC方法需要长时间或高温处理,会对功率器件的可靠性带来隐患,生成的全IMC焊点力学性能、导电导热性能都无法完全满足第三代半导体功率器件使用需求。因此,如何快速、高效地制备可靠的全IMC微焊点成为研究热点。本文通过热压焊焊接工艺,以泡沫Cu作为骨架,以Sn作为填充材料,基于TLP连接原理,由原位生成的Cu3Sn与反应后剩余的Cu复合,快速形成Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点,为第三代半导体芯片焊接提供了一种新型、快速的焊接方法。采用实验和理论分析相结合的方法,研究了Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点界面微观组织演变规律,并对Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点剪切性能,原位压入力学性能,导电导热性能以及时效性能做出了评估。根据第三代半导体功率器件芯片互连结构特点,设计了Cu/Cu3Sn-Cu/Cu焊点结构。分别研究了热压焊焊接时间、焊接温度和焊接压力对焊点微观组织以及生长行为的影响,研究结果表明,Cu3Sn的厚度与焊接温度呈正比例关系,Cu3Sn的厚度与焊接时间基本符合抛物线关系,焊接压力不能直接影响Cu3Sn的生长速度。研究了焊接时间、焊接温度和焊接压力对焊点微观组织以及生长行为的影响机理。复合微焊点内部微观组织转变过程为,首先Sn熔化为液态,在Sn与Cu的界面处生成扇贝状的Cu6Sn5,Cu6Sn5长大的同时在Cu6Sn5与Cu界面处生成Cu3Sn,形成Cu3Sn-Cu微观结构。使用统计学方法、极差分析法和方差分析法,研究正交试验中焊接时间、焊接温度和焊接压力对焊点微观组织及生长行为的影响,结果表明焊接温度对Cu3Sn的生长影响最显著。Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点最优焊接工艺范围为Cu的体积分数60%,焊接温度为340～360℃,焊接时间为6～8 min,焊接压力为0.3MPa。研究了焊接时间、焊接温度以及焊点中Cu的比例对Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点剪切性能和原位压入力学性能的影响机理。Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点剪切强度最高可达170 MPa左右。Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点拥有高剪切强度,其原因为Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点中Cu3Sn与焊点中剩余的Cu形成互锁结构,增加焊点中Cu3Sn与Cu的连接面积,阻碍裂纹的萌生与扩展;焊接过程中Cu的加入使Cu3Sn晶粒更加细小,起到了细晶强化的作用;焊点中均匀分布的Cu可以阻碍了裂纹的扩展,提高剪切强度。使用方差分析法,分析了焊接时间、焊接温度和焊点中Cu的比例对焊点原位压入力学性能的影响,研究表明,焊点中Cu的比例对Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点中Cu的压痕模量、蠕变率和压痕硬度有显著影响,对Cu3Sn的压痕模量和蠕变率有显著影响。采用实验和ANSYS有限元模拟相结合的方法,研究Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点的电阻率和热导率。最优焊接工艺得到的Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点的电阻率和热导率分别为6.34μΩ·cm和130.5 W/（m·K）,相较于全Cu3Sn焊点导电性能和导电性能分别提升了30%和100%。ANSYS有限元模拟计算出的Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点的电阻率和热导率分别为4.88μΩ·cm和141.82 W/（m·K）,得到随着Cu体积分数分数的增加Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点的导电导热性能也随之提高。在300℃下对Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点进行时效测试。发现Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点在300℃时效过程中内部微观组织没有发生相变,没有产生宏观缺陷,Cu3Sn晶粒尺寸增大,在Cu3Sn晶界处产生孔洞。Cu3Sn晶粒尺寸增大和Cu3Sn晶界处产生孔洞导致了随着时效时间的增加Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点的剪切强度降低。随着时效时间的增加Cu/Cu3Sn-Cu/Cu复合微焊点整体的压痕模量和压痕硬度下降,蠕变率上升。
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