【摘 要】
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随着电力电子器件的小型化和集成化,不断提升的工作温度使其功率模块封装需经受更严苛的考验,亟需一种耐高温封装工艺。近年来,瞬时液相烧结连接技术(TLPS)凭借较低的连接温度和辅助压力,较高的强度和优异的耐高温性能,具有在电力电子封装应用的潜力。瞬时液相烧结连接选用熔点相差较大的金属粉末作为连接材料,在连接过程中低熔点金属(Sn和In)熔化并与高熔点金属(Au、Ag、Ni和Cu等)反应生成高熔点的金属
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随着电力电子器件的小型化和集成化,不断提升的工作温度使其功率模块封装需经受更严苛的考验,亟需一种耐高温封装工艺。近年来,瞬时液相烧结连接技术(TLPS)凭借较低的连接温度和辅助压力,较高的强度和优异的耐高温性能,具有在电力电子封装应用的潜力。瞬时液相烧结连接选用熔点相差较大的金属粉末作为连接材料,在连接过程中低熔点金属(Sn和In)熔化并与高熔点金属(Au、Ag、Ni和Cu等)反应生成高熔点的金属间化合物,以获得耐高温焊点。In熔点仅为157°C,比Sn熔点(232°C)更低,可在更低温度下实现连接。而Cu具有良好的导电导热性能,价格低廉,Cu与In的反应产物Cu2In和Cu7In3的熔点均超过630°C。因此,Cu-In体系的瞬时液相烧结连接具有良好的耐高温潜力,对其进行深入研究极有必要。本文选择由微米Cu粉与In粉组成的Cu-In焊膏通过TLPS工艺形成Cu/Cu-In/Cu三明治焊接结构,系统研究连接温度和辅助压力对焊点界面微观组织形貌、成分、孔隙率和剪切强度的影响规律,优化连接温度和辅助压力参数。进一步研究在优化温度和压力下,保温时间对焊点界面微观组织、孔隙率、剪切强度和断口组织形貌的作用规律,探明焊点断裂机制。最后,对优化TLPS工艺的Cu/Cu-In/Cu焊点进行老化测试和电化学腐蚀测试研究其可靠性及耐腐蚀性能。研究结果表明,连接中施加0.6MPa的辅助压力可获得致密且剪切强度较高的焊点。连接温度为260°C时,随着保温时间的延长,连接层组织发生了低温相Cu11In9(307°C)到高温相Cu2In(667°C)的转变,相变过程中产生了12.74%的体积膨胀,孔隙率减小,剪切强度增加。焊点断裂的发生从Cu11In9与Cu的界面处逐渐向Cu2In与Cu的界面处转移,断裂方式均属于沿晶断裂。而连接温度为320°C时,连接层组织发生了高温相Cu2In到Cu7In3(631°C)的转变,在保温时间为120min时孔隙率增大,剪切强度降低,因为在该相变过程中产生了15.43%的体积收缩。断裂方式在保温时间为30min和60min时为沿晶断裂,而在120min和180min时为沿晶和穿晶的混合断裂。Cu/Cu-In/Cu焊点在250°C和350°C老化96h后,焊点剪切强度分别为20.8MPa和23.4MPa,组织成分保持稳定,表现出了良好的服役可靠性。此外,Cu-In连接层的腐蚀电位(-0.24V)接近于Cu(-0.22V),表明其具有与Cu相近的耐腐蚀性能。
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