编号：FTJS107688
篇名： 氮化硅陶瓷基板钎焊覆铜无银钎料制备研究
作者： 孙会彪
关键词： Si3N4陶瓷; 稀土元素; 润湿; 剥离强度; 钎焊工艺;
机构：上海第二工业大学
摘要： 氮化硅（Si3N4）陶瓷基板综合性能优异,其抗弯强度、断裂韧性是氮化铝（AlN）的两倍且具备较高的热导率,活性金属钎焊（AMB）工艺的发展实现了氮化硅陶瓷基板与铜板的连接,使氮化硅陶瓷覆铜板具备更高的可靠性,适合大功率大电流的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）使用要求。主流AgCuTi系钎料成本昂贵,低银、无银钎料成为钎料未来的发展方向。针对氮化硅陶瓷覆铜所用无银钎料的制备研究,本论文选用Cu20Sn10TiH2为基础组分,通过添加Gd、Sm、Er以及Gd与Sm的二元复配制备出铜基无银钎料焊膏,实施润湿烧结试验探究不同配方焊膏对Si3N4陶瓷表面的润湿特性;通过对比每种体系下覆铜板的剥离强度找到稀土元素的最佳添加量;对每个体系的钎焊工艺（钎焊温度、保温时间）对覆铜板剥离强度的影响进行探究。并综合分析每种稀土元素对润湿性和剥离强度的影响机理。研究结果表明: （1）CuSnTiH2-x Gd焊膏体系中Gd含量为0.5%时焊膏具备最佳润湿性（润湿角18.84°、前驱膜498.68μm）和最大的剥离强度（9.4N/mm）;CuSnTiH2-x Er焊膏体系中Er加入可以大幅提高焊膏的润湿性（润湿角12.37°,前驱膜409.64μm）且Er含量在0.25%～1%变化时润湿性无较大改变,含Er0.75%时剥离强度为13.9N/mm;CuSnTiH2-x Sm焊膏体系Sm含量为0.15%时润湿性最强,此时润湿角前驱膜分别为10.78°、1016.79μm,且在此含量下剥离强度达到9.3N/mm;复合添加Gd与Sm元素时,CuSnTiH2-0.455Gd0.045Sm焊膏具备最佳润湿性（润湿角为7.23°、前驱膜为1727.87μm）,CuSnTiH2-0.5Gd0.15Sm焊膏得到的覆铜板剥离强度最大,达到9.5N/mm。 （2）根据焊点试样截面的SEM和XRD图谱提出稀土元素对焊膏润湿能力的促进机制:Gd、Er、Sm活性大,高温下降低焊膏合金熔体的表面能,在界面处的原子反应生成GdCuSi、Cu2GdSi2、Er Si2、Sm Si2以及TiN、Ti5Si3等物相可以进一步降低界面能;TiN反应层厚度增加、致密,为润湿提供了基底,焊膏在TiN层上的润湿能力大于Si3N4陶瓷上的润湿能力,而Gd、Er、Sm的加入可以促进TiN的生成,提高TiN反应层厚度。 （3）TiN与Ti5Si3的形态影响覆铜板的结合,层状的TiN作为中间层缓解焊后残余应力,而稀土元素可以促进TiN的生成,Ti5Si3等物相尺寸的增大降低剥离强度,细小的相（Ti-Cu、Cu-N）弥散分布可以强化覆铜板,钎焊温度、延长保温时间均可促进铜基焊膏与Si3N4陶瓷和铜板的结合从而提高剥离强度。原因在于:第一,Si3N4在高温下分解速度加快,N、Si原子在高温下更易扩散到界面,与焊膏中的Ti结合生成TiN,TiN层厚度的增加缓解了一部分的焊后残余应力;铜板中Cu与焊膏中金属子相互扩散促进二者结合;第二,延长保温时间界面处的反应和原子扩散过程进行地更加彻底、深入。