微米级铜在高温功率器件的应用

功率电子产品的应用已扩展到相当多的行业，如汽车，航空航天和军事行业。高功率电子设备需要能够适应更高的使用温度（>250°C），这大大增加了对设备材料的需求。瞬时液相（TLP）键合被认为是制备高温焊点的可靠技术，该技术允许在相对较低的温度下进行焊接，同时产生更高的焊接重熔温度。然而TLP键合需要花费很长时间才能完全消耗低熔点金属，且需要数小时的退火才能形成稳定的焊点。

1. 微米级Cu颗粒
Liu等人在Cu颗粒上镀上Sn层。Cu颗粒的平均直径为6.2μm，Sn涂层的平均厚度约为0.5μm。Cu颗粒随后被做成由85wt%的颗粒和15wt%的萜品醇溶剂组成的焊料浆。将制备的带有浆料的Cu–Cu焊点在空气中在130°C下预热3分钟以蒸发溶剂，然后以1°C/s的速度连续加热至300°C并在该温度下加热30s。整个过程使用热压接合系统在10 MPa的外加压力下进行。使用甲酸气氛来还原Sn涂层和Cu基底上的氧化物层。

图1.瞬时液相烧结(TLPS)键合过程。

2. 实验结果

TLPS键合过程中，焊点开始先形成Cu6Sn5 IMC。随着温度升高超过210℃，Cu颗粒的镀Sn层逐渐开始融化。当温度继续升高时，Sn开始大量消耗，Cu3Sn数量开始增加，而Cu6Sn5逐渐减少直至加热至300℃后完全消失。在高温应用环境下，焊点一般不含有热不稳定的Cu6Sn5相。当焊点的成分位于Cu–Sn系统的富Cu区域时，Cu6Sn5倾向于转变为Cu3Sn。

如图2所示，在键合焊点的灰色区域，Cu与Sn的原子比为3:1，均匀分布在灰色区域的黑色颗粒为Cu颗粒，这表明接合焊点中的Cu3Sn-IMC相中含有均匀分布的Cu颗粒。在300°C老化200小时后，两相混合物微观结构的特征与焊接后的结构几乎一致，可以说明焊点在该温度时热力学基本维持稳定。重要的是，由于微观结构几乎不变，焊点的强度随着老化时间增加变化幅度很小。

图2. TLPS焊点SEM图。(c)300℃加热60s (d)300℃老化200h后。

3. 福英达锡膏

除了TLPS键合，传统的无铅锡膏依旧能用于功率器件的焊接。深圳市福英达有着专业的高温锡膏研发和生产经验，能够为客户提供优质的金锡锡膏用于高温焊接需求。福英达金锡锡膏有着粘度稳定，残留物少，焊点强度高等优点，欢迎客户与我们进行深入合作。
4. 参考文献
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.

审核编辑 黄宇