采用Cu@Ni@Sn瞬态液相扩散连接材料制备的高温抗性接头的研究及其性能评估

《Welding in the World》：Preparation and performance study of high-temperature resistant joints using Cu@Ni@Sn transient liquid phase diffusion bonding materials

高铅无铅焊料替代研究：Cu@Ni@Sn核壳粉末通过电镀Ni和Sn制备，抑制TLPB连接中Cu6Sn5向Cu3Sn相变，孔隙率降低至5%，耐温达400℃，剪切强度提升20%，热电性能优于Cu@Sn系统，适用于高温高可靠电力模块互联。

　　

摘要

为了满足对高温无铅材料进行可靠低温焊接的要求，并抑制在瞬态液相扩散键合（TLPB）和老化过程中Cu₆Sn₅向Cu₃Sn的转变，同时减少接头孔隙率，首先通过化学镀在Cu颗粒表面镀上一层Ni，然后通过硫酸亚锡电镀沉积Sn层，从而制备出Cu@Ni@Sn核壳结构粉末。本研究探讨了Cu@Ni@Sn粉末的抗氧化性能，并分析了Cu@Sn和Cu@Ni@Sn TLPB接头中Cu₃Sn的形成速率和活化能，明确了Ni涂层在限制元素迁移和相变中的作用。Cu@Ni@Sn TLPB接头呈现出由金属间化合物构成的三维网络，包裹着Cu颗粒。该接头在至少400°C的温度下仍具有热稳定性，室温下的剪切强度超过80 MPa，在250°C下老化336小时后剪切强度仍不低于28 MPa，相比Cu@Sn体系提高了20%。接头孔隙率从Cu@Sn体系的10%降低到Cu@Ni@Sn体系的5%，优于高铅焊料和纳米烧结银体系。研究结果表明，引入Ni涂层成功限制了Cu的扩散，抑制了Cu₆Sn₅的相变，减少了孔洞的形成，并提高了Cu@Ni@Sn粉末的高温抗氧化性能。经过250°C的回流焊接后，Cu@Ni@Sn接头的热导率为156 W/m·K，电阻率为4.2 μΩ·cm，均优于Cu@Sn体系、Cu₆Sn₅和Cu₃Sn。这些结果表明，Cu@Ni@Sn TLPB接头符合高性能互连的要求，是高铅焊料和纳米烧结银焊料的理想替代品，适用于高温、高可靠性互连应用，尤其是电力模块领域。