Cu@Ag核壳纳米颗粒的制备及其对Sn-5Sb钎料的改性研究

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即将推广的第三代半导体的工作温度将达到200℃,为满足第三代半导体高温服役的要求,研究新型耐高温钎料势在必行。SnSb系合金的熔化温度在240℃左右,与市场主流无铅钎料相比,其高温服役方面具有一定的优势,但其他性能仍待优化。本文研究了纳米颗粒复合SnSb钎料的制备工艺和性能优化。  首先本文采用液相还原法制备了纳米Cu@Ag颗粒,通过XRD、SEM和TEM等手段分析了核壳颗粒制备中出现的粉末团聚、包覆不完整以及残留多等问题,讨论了包覆颗粒制备工艺的优化方案。然后将包覆效果良好的核壳颗粒与Sn-5Sb钎料复合制备了复合焊膏,对复合焊膏进行润湿性、组织形貌、剪切性能等测试,研究了不同含量的核壳包覆颗粒对复合焊膏性能的影响,并按Cu@Ag的Cu/Ag比例将纳米Cu粉和Ag粉混入焊膏与Cu@Ag复合焊膏进行对比试验。  研究结果表明:液相还原法制备纳米Cu@Ag核壳颗粒的工艺优化方案如下:PVP浓度范围在5g/L~10g/L之间,Cu/Ag摩尔比nCu.nAg=7·1,溶液搅拌速度控制在3000r/min左右,制备的Cu@Ag核壳粉末分散和包覆效果较好,且产物杂质较少。  通过复合焊膏焊后微观组织形貌可知,随着包覆纳米颗粒含量的增加,Cu板与钎料界面IMC厚度略有增加,IMC形貌由扇贝状变为不规则,这是由于外层Ag消耗殆尽而致使Cu内核参与反应的现象。当纳米颗粒量达到3%时,焊膏烧结后的组织内气孔量增加。  纳米Cu@Ag核壳颗粒的添加,使Sn-5Sb焊膏的润湿角降低,改善了Sn-5Sb焊膏的润湿性;纳米颗粒含量从0~30%,复合Sn-5Sb焊膏的润湿性整体趋势是先增加后降低,在含量添加到10%时润湿角降到最小。  纳米颗粒增加,复合焊膏的剪切强度也随之增大,在10%含量时达到最高值,纳米颗粒含量进一步添加会导致剪切强度下降。断口分析表明纳米核壳复合焊膏焊点断裂机制均为韧性断裂,断裂位置是在体钎料处,纳米颗粒添加到30%时,焊点内部产生较多气孔,影响复合焊膏的抗剪切性能。  为明晰纳米Cu@Ag包覆颗粒与分别加入纳米Cu&Ag混合颗粒的差别,本文对比了Cu@Ag颗粒与机械混合纳米Cu&Ag颗粒加入焊膏后的组织和性能差异。分析表明,包覆型Cu@Ag颗粒对于焊点剪切性能的强化效果优于混合型Cu&Ag型颗粒,Cu@Ag颗粒强化的焊膏焊后组织的细化程度较好,混合型Cu&Ag颗粒的加入使焊膏焊后组织内部的Cu6Sn5金属间化合物明显增多,这也表明了包覆结构中Ag充分发挥了阻碍Cu与Sn反应的作用。
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