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《哈尔滨工业大学》 2017年
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Cu_6Sn_5纳米颗粒低温烧结机理及耐高温纳米晶接头的制备

钟颖  
【摘要】:随着高性能电子器件的迅猛发展,电子封装对于互连材料的高温服役性能提出越来越高的要求,但工艺温度却不宜过高。因此,本文提出将Cu_6Sn_5金属间化合物(IMC)纳米颗粒作为互连材料来将接头归一化为全IMC纳米晶接头的新型互连方法。利用纳米颗粒的尺寸效应可实现低温烧结,烧结后的接头能够恢复块体的高熔点,可实现高温服役;而且,Cu_6Sn_5还具备各向异性小、与Cu基板CTE匹配度高、导电导热性能优异等优势。因此,本文对Cu_6Sn_5纳米颗粒用作互连材料的可行性、互连机制和显微组织演化机制进行了深入分析,为高性能封装材料的开发和合金纳米材料在原子级别上的行为提供思路和指导。通过对共沉淀还原法进行优化,实现了Cu_6Sn_5纳米颗粒的可控化制备。发现Sn离子的存在有助于减少Cu离子的氧化;Cu_6Sn_5是共沉淀还原法中优先生成的Cu-Sn IMC;以柠檬酸钠、SDS和CTAB为表面活性剂,在Cu与Sn原子比例为6:5时,制得的产物为纯净、无杂质的Cu_6Sn_5纳米颗粒;可通过降低反应温度、增加表面活性剂的添加量、增长表面活性剂的碳链长度来减小纳米颗粒尺寸,冰浴中以CTAB为表面活性剂制得的Cu_6Sn_5纳米颗粒平均直径为6.4nm。通过低温烧结Cu_6Sn_5纳米焊膏制备了具备优良的力学、导电、导热性能的Cu_6Sn_5纳米晶接头。接头抗剪切强度强度高于17 MPa,烧结体硬度和杨氏模量分别约低至70 HV和75 GPa左右,并呈现优良的塑性变形能力;显微组织分析发现,烧结体为纳米晶,且接头界面处有Cu3Sn生成,界面处实现了原子级别的冶金连接;接头导电性能、导热性能、高温服役能力和抗温度循环均优于传统的SAC305钎料,具备200℃高温下工作的能力。在透射电镜中原位加热,研究了Cu_6Sn_5纳米颗粒之间以及Cu_6Sn_5纳米颗粒与微米级Cu基板之间的融合行为及机制。发现Cu_6Sn_5纳米颗粒的起始融合温度低至125℃;升温至相变点以上会出现η-Cu_6Sn_5相向η’-Cu_6Sn_5相的不完全相转变;Cu_6Sn_5这种由两种元素组成的纳米颗粒也遵循纳米颗粒接触时的对称、非对称融合和预熔化机制,以及非接触时的Ostwald熟化、升华与取向翻转机制;Cu_6Sn_5纳米颗粒的融合中还同时存在定向附着生长机制,以及新提出的取向一致化机制。在透射电镜中原位观察了Cu_6Sn_5纳米颗粒与微米级的单晶、多晶Cu薄膜之间的反应。发现Cu_6Sn_5纳米颗粒与Cu基板之间通过Cu向Cu_6Sn_5纳米颗粒内扩散反应生成Cu3Sn及更高反应温度下的Cu10Sn3;Cu_6Sn_5纳米颗粒与微米级Cu基板之间能够实现原子级别冶金互连,这是接头抗剪切强度优良的原因。在高分辨透射电镜中原位观察了Cu_6Sn_5纳米颗粒的冷却行为,解释了烧结获得纳米晶的根本原因。186℃为Cu_6Sn_5的相变点,升降温过程中Cu_6Sn_5会发生低温η’相与高温η相之间的可逆、不完全相变;冷却过程中持续发生致密化;冷却至相变点之前,以晶粒长大为主;冷却至相变点之后,由于Cu_6Sn_5在降温过程中η相向η’相的相转变,Cu_6Sn_5会发生显著的组织细化,平均晶粒尺寸可达2.6 nm以下,这是接头组织呈现低硬度、低杨氏模量、高塑性的原因。这是Cu_6Sn_5纳米颗粒区别于其它纳米颗粒烧结互连材料的重要特点。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB383.1;TN05

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