【摘 要】
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近年来,随着电子器件向着高功率、高电流密度、高集成化和小型化方向发展,以SiC、Ga N和Al N为主导的第三代半导体材料因具有更高的临界击穿电场强度和高的热导率等特性,能够在高压、高功率和耐高温(600℃)的环境下稳定服役,而被广泛应用于航空航天、电子封装、核电设备和汽车等领域。然而,目前电子封装中主要使用的无铅焊料,其钎焊接头服役温度低、高温稳定性差,难以满足第三代半导体材料在高温服役中的要求
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近年来,随着电子器件向着高功率、高电流密度、高集成化和小型化方向发展,以SiC、Ga N和Al N为主导的第三代半导体材料因具有更高的临界击穿电场强度和高的热导率等特性,能够在高压、高功率和耐高温(600℃)的环境下稳定服役,而被广泛应用于航空航天、电子封装、核电设备和汽车等领域。然而,目前电子封装中主要使用的无铅焊料,其钎焊接头服役温度低、高温稳定性差,难以满足第三代半导体材料在高温服役中的要求。因此,研究适用于SiC功率器件的焊接材料和焊接工艺,实现“低温连接,高温服役”的目标对当前电子封装领域具有非常重要的意义。本文研制了一种新型的In-45Cu复合钎焊膏,采用超声辅助TLP连接工艺对SiC进行了钎焊连接,在较短的时间内获得了全Cu2In金属间化合物的接头。探究了Cu颗粒尺寸、超声波功率和超声波作用时间等因素对Cu-In IMCs生长特征、组织演变规律及剪切性能的影响,并阐明了快速形成全Cu2In金属间化合物接头的生长机制,以及分析了接头内产生孔洞的原因。最后,探究了不同老化处理时间对接头微观组形貌以及剪切性能的影响。本文的主要研究结果如下:(1)随着超声波作用时间的增加,钎焊接头的剪切强度呈先增大后减小的趋势,当超声波作用时间30 s时,接头的剪切强度达到最大值19.23 MPa。接头的剪切断裂机制由韧脆混合断裂转变为脆性断裂;(2)超声波辅助TLP钎焊时,复合钎料膏中的Cu、In颗粒首先反应生成Cu11In9化合物,并伴随着体积收缩,导致在接头中产生大量的收缩孔洞,随着超声波作用和钎焊时间的延长,已生成的Cu11In9化合物与未消耗完的Cu颗粒继续反应生成Cu2In化合物,随着Cu2In化合物生成量的增加接头体积逐渐膨胀,最终接头内的孔洞消失;(3)超声辅助能加速Cu、In颗粒的反应进程,并促使生成全Cu2In化合物的接头。这主要是因为超声波在液态In中产生空化效应和声流效应,空化效应生成的空化泡爆破时产生的微射流会在Cu颗粒与液态In的界面处形成高温高压,急剧增加的能量会促使Cu-In IMCs的快速生成,同时,声流效应中的冲击波会剥离Cu颗粒表面先生长的Cu-In IMCs,因此裸露的Cu颗粒和In可以继续快速发生反应;(4)在300℃老化处理72 h、168 h和336 h之后,整个接头的组织基本没有发生明显的变化,老化处理后接头中相变引起的体积膨胀和晶粒粗化会消除部分小孔洞,致使整个接头组织更致密,整个接头中的Cu2In化合物在高温试验中依然能够保持高热稳定性和高可靠性。随老化处理时间的增加,钎焊接头的剪切强度先增大后减小,老化处理336 h之后接头的剪切强度(20.84 MPa)仍高于传统高铅钎料,满足国标中对芯片封装剪切强度的要求。
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