摘 要

在高温功率电子器件内，传统Ni-P化学镀层无法有效抑制金属间化合物生长，导致器件可靠性降低。三元合金Ni-Fe-P化学镀层由于其良好的导电性，优良的可焊性和极慢的金属间化合物生长速率，表现出在高温功率电子器件内应用的潜力。但由于其制备极为困难，目前未被广泛应用。本文设计正交试验，成功在铜基板上制备了Ni-Fe-P化学镀层，通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪分别对镀层的形貌、成分和物相进行了表征。正交实验表明：化学镀参数可显著改变镀层成分，并从而影响镀层的宏观和微观形貌；对于Fe、P含量，影响因素的主次顺序为pHgt;温度gt;Fe² / Ni² 摩尔比；通过控制Fe含量可获得不同结构的Ni-Fe-P合金（多晶、非晶和混合结构）。同时划痕实验发现该镀层与基板结合强度满足应用的基本条件。本论文探索了化学镀参数与镀层形貌、成分和结构的内在联系，阐明了不同参数对Fe和P成分的影响顺序，为新型Ni-Fe-P三元合金在高温功率电子器件内的工业应用提供科学依据和理论指导。

关键词：高温功率电子；化学镀； Ni-Fe-P镀层；正交试验

Abstract

In high temperature power electronics, conventional electroless Ni-P coating cannot retard the excessive growth of intermetallic compounds (IMCs), leading to the failure of entire electronics. The ternary electroless Ni-Fe-P coating exhibits the potential application in high temperature power electronics due to its good electrical conductivity, excellent wettability, and extreme slow growth rate of IMCs. However, the extreme difficulty in Ni-Fe-P deposition prohibits the widely application in industry. In this work, the orthogonal experiment was designed to elaborate the effects of various plating parameters on the surface morphology, composition, and structure of ternary Ni-Fe-P coating via scanning electron microscopy (SEM), energy disperse spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD). The results indicated that the plating parameters can significantly change the composition of Ni-Fe-P. For instance, the sequence of influencing factors for Fe and P content is pH value, plating temperature, and Fe² / Ni² mole ratio. The Fe content can be controlled to obtain the Ni-Fe-P alloys with different microstructure (polycrystal, amorphous and mix structure). Meanwhile, the adhesion strength of Ni-Fe-P coatings was evaluated to guarantee their industry usages. Based on the above results, the correlation between the microstructure, morphology, and composition of Ni-Fe-P alloys and plating parameters was elaborated, along with the influence order of various parameters in Fe and P contents. This research provides not only the scientific basis but also theoretical guidance for the industry application of novel Ni-Fe-P coatings in high temperature power electronics.

Key Words：High temperature electronics；Electroless plating；Ni-Fe-P plating；Orthogonal experiment method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 高温功率器件封装 1

1.2 Ni-Fe-P化学镀层 2

1.3 本文研究工作及意义 4

第2章Ni-Fe-P镀层的制备 5

2.1 基体的前处理 5

2.2 镀层制备 6

2.3 正交试验 6

2.4 Ni-Fe-P镀层的性能检测 7

2.4.1 镀层表观等级的评定 7

2.4.2 镀层的表面微观形貌和组成的测定 7

2.4.3 镀层物相表征 7

2.4.4 镀层结合力的测试 7

第3章 实验结果与分析 9

3.1 正交试验 9

3.2 Ni-Fe-P镀层的性能分析 12

3.2.1 镀层表观等级评定结果 12

3.2.1 镀层的表面微观形貌和组成的测定 14

3.2.2 镀层物相表征 17

3.2.3 镀层结合力的测试 18

第4章 小结 19

4.1 Ni-Fe-P镀层的制备与性能表征结论 19

4.2 未来展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1高温功率器件封装

电子封装为芯片提供了机械支撑、保护和电热连接，并渐渐融入到系统集成技术和芯片制造技术中，封装技术影响着单芯片、多芯片功率模块和整个功率电子系统的可靠性和成本。高温电子封装技术的可靠性研究对于高温电子封装技术的广泛应用至关重要。目前，随着航空航天、国防军工、石油钻井、汽车等领域的发展，要求芯片具有更大的功率、更高集成度、更高可靠性以及更低成本，同时能在温度高于300℃的环境下持续工作^[1] ，这一现状给大功率高温芯片的连接和封装带来了新的挑战和机遇，使得如何提高功率器件封装的可靠性引起了广泛的关注。而连接高温功率器件的典型工艺就是通过含铅、无铅焊料合金或者导电胶，将半导体芯片的终端与热沉基板连接起来，另一个终端则通过精细的铝线或金线进行引线连接。由于焊料合金的低熔点、环氧树脂的低分解温度和高温环境下铝线的电迁移敏感性，使得这种连接方式通常在高温环境下工作的功率电子设备的可靠性下降^[2]。

在众多的封装技术中，粘晶技术（die attachment）由于结构简单、电子器件集成度高且可靠性较好，而被广泛应用于航空航天、国防军工、汽车、石油钻井等领域。在功率器件封装单元中，芯片直接粘贴结构如图1-1所示，这种封装结构基本满足大功率电子器件封装的要求。这种封装单元主要由功率芯片，界面连接材料和基板这三部分组成^[3]。在功率器件封装单元中，高温焊料直接连接着芯片表面上的金属化层和陶瓷基板表面上的金属化层（一般为铜箔），这就是粘晶技术。在回流过程中，金属间化合物通过焊料与基板表面的金属化层反应得到，并形成焊接点。因此，金属间化合物不仅能够提供芯片与基板之间电连接和机械连接，同时为封装单元提供散热途径。粘晶技术是功率器件封装的关键因素。在粘晶技术中，界面连接材料正由传统的锡铅焊料朝着无铅化发展，Zn基合金钎料如Zn-Al、Zn-Al-Cu等，以及导电胶和银焊膏都是可能的替代材料^[4]。在芯片粘接（die-attached）封装众多类型基板中，DBC（铜/陶瓷）基板由于其高热导性、高导电性、体积小、较好的热疲劳稳定性及高集成度等优势，日益成为一种多芯片大功率半导体模块封装的重要基板。解决高温功率器件封装的可靠性问题主要从芯片和基板的连接界面入手。