论文总字数：22460字

摘 要

随着电子产品向体积微型化和功能集成化方向迅速发展，微电子系统对现有Sn基互连焊点的可靠性提出了更高的要求。Cu以其良好的导电性和廉价性被广泛运用于电子封装行业，因此如何制备一种焊料用于Cu的钎焊，并能实现焊点的低温制备和高强度的性能要求是本课题研究的重点。本课题提出选用Cu-Ni合金泡沫来强化Sn基复合焊料，并采用该复合焊料进行瞬时液相扩散焊(TLP)连接Cu基板。重点研究Cu-Ni合金泡沫成分对钎焊接头显微结构及力学性能的影响，揭示复合焊料低温冶金反应规律及机制，阐明低温焊料冶金强化机制。

本课题采用了自制的Cu-Ni合金泡沫/Sn基复合钎料片对T2紫铜进行TLP焊接，探究焊接时间以及Cu-Ni合金泡沫成分对钎焊接头综合性能的影响。实验制备的Cu-Ni合金泡沫/Sn基复合钎料片共有5种类型，Cu原子含量占比分别为20%、35%、50%、65%、80%，在260℃下焊接时长分别为10min和120min，焊接后得到10种不同的焊接试样，并对其进行剪切测试分析。

研究结果表明：钎焊时间为120min的钎焊接头剪切强度要比焊接时间为10min的高。在相同的焊接时间下，随着钎料片中Cu原子含量(20%、35%、50%、65%、80%)的逐渐增加，Cu、Ni、Sn三者之间的反应也会加速，泡沫Ni骨架反应更快。本实验剪切强度最高49.07Mpa的试样为Cu原子含量50%，260℃焊接120min的焊接试样。

本文的创新点：不同的Cu-Ni合金泡沫与Sn焊料的冶金反应速率不同，Cu原子含量越高反应速率越快。

关键词：Sn基焊料；TLP；Cu-Ni合金泡沫；剪切强度

Abstract

With the rapid development of electronic products in the direction of volume miniaturization and functional integration, microelectronic systems have placed higher demands on the reliability of existing Sn-based interconnect solder joints. Cu is widely used in the electronic packaging industry due to its good conductivity and low cost, so how to prepare a solder for Cu brazing, and can achieve the low temperature preparation of solder joints and high-strength performance requirements is the subject of research Focus. This subject proposes to select Cu-Ni alloy foam to strengthen the Sn-based composite solder, and use the composite solder for transient liquid phase diffusion soldering (TLP) to connect the Cu substrate. Focus on studying the effect of Cu-Ni alloy foam composition on the microstructure and mechanical properties of brazed joints, reveal the low-temperature metallurgical reaction law and mechanism of composite solder, and clarify the metallurgical strengthening mechanism of low-temperature solder.

 In this project, the self-made Cu-Ni alloy foam / Sn-based composite brazing sheet was used for TLP welding of T2 copper, and the effect of welding time and Cu-Ni alloy foam composition on the overall performance of the brazed joint was investigated. There are five types of Cu-Ni alloy foam / Sn-based composite solder pieces prepared in the experiment. The Cu atomic content accounts for 20%, 35%, 50%, 65%, and 80%, respectively. The welding time at 260 ℃ is: 10min and 120min, 10 different welding samples were obtained after welding, and they were analyzed by shear test.

The results of the study indicate that the shear strength of the brazed joints with a brazing time of 120 min is higher than that with a brazing time of 10 min. At the same soldering time, with the gradual increase of Cu atom content (20%, 35%, 50%, 65%, 80%) in the solder piece, the reaction between Cu, Ni and Sn will also accelerate The foam Ni skeleton reacts faster. The sample with the highest shear strength of 49.07Mpa in this experiment is a welding sample with Cu atom content of 50% and welded at 260 ℃ for 120min.

The innovation of this paper: different Cu-Ni alloy foams have different metallurgical reaction rates with Sn solder. The higher the Cu atom content, the faster the reaction rate.

Key Words：Sn-based solder；TLP；Cu-Ni alloy foam；shear strength

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及分析 1

1.2.1 Cu的钎焊研究 1

1.2.2 Cu的瞬时液相扩散焊研究 3

1.2.3 无铅钎料合金强化的研究 4

1.3 本课题研究的主要内容 4

第2章 实验材料、设备与方法 5

2.1 实验材料 5

2.1.1 实验母材 5

2.1.2 实验钎料 5

2.2 实验设备 5

2.3 实验方法 7

2.3.1 复合钎料片的制备 7

2.3.2 T2紫铜的TLP焊接 9

2.3.3 剪切性能测试 10

2.3.4 制样观察 11

第3章 结果与讨论 12

3.1 Cu-Ni合金泡沫及高温烧结后组织分析 12

3.2 Cu-Ni合金泡沫/Sn基复合钎料片组织分析 14

3.3 T2紫铜焊接显微组织结构 14

3.3.1 时间对组织变化的影响 14

3.3.2 钎料层Cu原子含量对组织变化的影响 17

3.3.3 剪切测试断口组织分析 18

第4章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

如今电子信息产业的高速发展，带来的是相关功率元器件性能指标的迅猛提升，功率元器件在逐渐往小型化、组装的高密度化、功率大的方向发展，伴随而来的问题就是芯片单位面积上的热量急剧上升，功率元器件和焊点就必须在高温环境以及高温所带来的力学影响下长时间服役^[1,2]，这就使微电子系统对现有Sn基互连焊点的可靠性提出了更高的要求。

传统的Sn-Pb钎料具有良好的润湿性、合适的熔点、较高的强韧性以及低廉的价格，因此被广泛运用于电子功率元器件的连接和印刷电路板的标准材料。但是随着国家开始对自然环境的关注，含Pb钎料被限制使用，无铅钎料在逐渐发展和应用。从现阶段对Sn基复合无铅钎料的研究来看，有两个新型的研究方向，一是无铅钎料的合金强化，主要是通过添加其他微量金属元素提高钎料的润湿性和改善钎料的组织，目前主要添加的金属元素有Ga、In、Ge、Ni、Mn和稀土元素等等。二是无铅钎料的颗粒增强，一般是向Sn基二元合金钎料中加入微纳米级颗粒，比如碳纳米管、纳米SiO₂颗粒、纳米SiC颗粒、微米Ni颗粒以及微米Cu₆Sn₅颗粒等等，可以显著提高钎料和互联焊点的力学性能^[3]。虽然通过合金强化工艺或者添加微纳米增强相的方式能改进Sn基焊料的强度，但是上述方法制备的焊料存在熔点高、重熔稳定性不好等问题，影响了焊点的服役可靠性。

泡沫金属以其特殊的功能和独特的结构被广泛用于制造业，用于制造过滤、电池电极、净化降噪、催化支架等装置^[4-7]。考虑到泡沫金属的特殊性能和结构，可以将其用于钎料领域，作为金属骨架来增强钎料的强度。由于Cu的价格低廉并且导电性优良，因此被广泛用于电子元器件的制造中，其中最主要的用途是作为元器件的焊盘与钎料反应形成微型焊点。鉴于Cu-Ni合金与Sn焊料间具有良好的冶金反应活性，本课题提出选用Cu-Ni合金泡沫来强化Sn基复合焊料，并采用该复合焊料用TLP焊接方法连接T2紫铜基板。重点研究低温钎焊下Cu-Ni合金泡沫的成分以及钎焊时间对T2紫铜钎焊质量的影响，观察钎焊接头显微结构及其力学性能，揭示复合焊料低温冶金反应规律及机制，阐明低温焊料冶金强化机制。

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