微米級銅在高溫功率器件的應用-深圳福英達
微米級銅在高溫功率器件的應用-深圳福英達
功率電子產品的應用已擴展到相當多的行業，如汽車，航空航天和軍事行業。高功率電子設備需要能夠適應更高的使用溫度（>250°C），這大大增加了對設備材料的需求。瞬時液相（TLP）鍵合被認為是制備高溫焊點的可靠技術，該技術允許在相對較低的溫度下進行焊接，同時產生更高的焊接重熔溫度。然而TLP鍵合需要花費很長時間才能完全消耗低熔點金屬，且需要數小時的退火才能形成穩定的焊點。
Liu等人在Cu顆粒上鍍上Sn層。Cu顆粒的平均直徑為6.2μm，Sn涂層的平均厚度約為0.5μm。Cu顆粒隨后被做成由85wt%的顆粒和15wt%的萜品醇溶劑組成的焊料漿。將制備的帶有漿料的Cu–Cu焊點在空氣中在130°C下預熱3分鐘以蒸發溶劑，然后以1°C/s的速度連續加熱至300°C并在該溫度下加熱30s。整個過程使用熱壓接合系統在10 MPa的外加壓力下進行。使用甲酸氣氛來還原Sn涂層和Cu基底上的氧化物層。
圖1. 瞬時液相燒結(TLPS)鍵合過程。
TLPS鍵合過程中，焊點開始先形成Cu6Sn5 IMC。隨著溫度升高超過210℃，Cu顆粒的鍍Sn層逐漸開始融化。當溫度繼續升高時，Sn開始大量消耗，Cu3Sn數量開始增加，而Cu6Sn5逐漸減少直至加熱至300℃后完全消失。在高溫應用環境下，焊點一般不含有熱不穩定的Cu6Sn5相。當焊點的成分位于Cu–Sn系統的富Cu區域時，Cu6Sn5傾向于轉變為Cu3Sn。
如圖2所示，在鍵合焊點的灰色區域，Cu與Sn的原子比為3:1，均勻分布在灰色區域的黑色顆粒為Cu顆粒，這表明接合焊點中的Cu3Sn-IMC相中含有均勻分布的Cu顆粒。在300°C老化200小時后，兩相混合物微觀結構的特征與焊接后的結構幾乎一致，可以說明焊點在該溫度時熱力學基本維持穩定。重要的是，由于微觀結構幾乎不變，焊點的強度隨著老化時間增加變化幅度很小。
圖2. TLPS焊點SEM圖。(c)300℃加熱60s (d)300℃老化200h后。
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Liu, X.D., He, S.L. & Nishikawa, H. (2016). Thermally stable Cu3Sn/Cu composite joint for high-temperature power device. Scripta Materialia, vol.110, pp.101-104.
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