异种合金共晶钎焊界面反应与钎透率研究

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Mo85Cu15合金导热性较强,其热膨胀系数与制造大功率芯片的GaAs相近,因此常作为高密度收发组件中大功率芯片的封装基板。可伐合金导热性和焊接性与GaAs相近,在芯片钎焊工艺研究中常作为GaAs的替代品,也是功能器件装配载体的常用材料。50%Si-Al因含硅量较高,拥有质量轻、导热性好、耐磨性强的优点,常用来作为芯片模块和可伐合金基板的封装外壳。目前芯片封装存在钎透率较低、封装可靠性与一致性难以保障的缺点。芯片的封装质量对于芯片工作性能和寿命有着重要的影响,但整个过程涉及多种材料,界面反应非常复杂。研究异种材料钎焊时发生的界面反应以及工艺参数对钎透率的影响机理是保证芯片在大功率条件下正常运行的必要途径。本文采用AuSn20焊料焊接可伐合金芯片与钼铜载体、可伐合金基板与铝硅板,采用Sn43Pb43Bi14焊料焊接钼铜载体与铝硅壳体,板材表面均有Ni/Au镀层。通过光学显微镜、扫描电镜、XRD检测及X射线无损探伤研究工艺参数对焊缝宏观形貌的影响、焊料组织成分以及两种焊料与基板镀层间发生的元素扩散和界面反应,分析接头连接机理。通过X射线检测与钎透率数值模拟相结合的方式研究工艺参数对芯片钎透率的影响机理,对芯片钎焊工艺进行优化。结果表明:(1)在可伐合金基板与铝硅板的焊缝中,焊料发生共晶反应生成AuSn共晶与Au5Sn棒状枝晶,并析出大量的Au。接头连接形式为界面处Sn与Ni镀层反应生成Ni3Sn4,Au5Sn包围在Ni3Sn4的外围,焊料中间层形成AuSn共晶与富Au区。基板元素与焊料并未发生元素扩散。(2)在钼铜板与铝硅板的焊缝中,焊料发生共晶反应形成富Sn区与富Pb、Bi区,富Sn区内Sn与Au反应生成AuSn共晶,富Pb、Bi区内Pb与Bi反应生成PbBi共晶与Pb7Bi3。基板中的Mo、Cu与焊料中的Pb、Bi发生相互扩散,生成多种金属间化合物。接头连接形式为多种金属间化合物与PbBi共晶、AuSn共晶之间的连接。(3)结合实验与仿真结果可知当焊接温度在310℃、焊接时间在60s-90s左右、将焊接压力保持在2-5g、焊料片的大小略小于芯片时,焊件钎透率可稳定控制在95%以上。选用与焊料大小相同的夹具施以稳定均匀的压力能改善焊件的焊接质量。钎透率仿真结果与实验结果较为相符,但气孔分布的位置有所差异。
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