刘桂源 孙凤莲

摘 要：功率电子元件的服役温度远高于常温，器件产热与散热之间不匹配的现象日益突显。针对这一问题，利用泡沫Cu良好的导热性，采用PbSnAg合金进行填充制成焊材，期望提高现有PbSnAg接头的导热性能。测试复合钎料/Cu接头的热阻，观察微观组织的变化，测试相关力学性能，探究复合钎料接头的断裂机理。研究表明，添加泡沫铜可以提高接头的热导率，有效地降低接头的热阻。PbSnAg合金的组织分别为高铅组织和含有化合物的混合组织，添加泡沫Cu之后组织发生了粗化。界面上生成的化合物是Cu3Sn，并且发现在Cu和Cu3Sn界面化合物之间的界面处存在Pb。添加泡沫Cu使焊缝的剪切强度稍有降低，在断口上可以发现裸露在表面处的化合物。

关键词：泡沫Cu;PbSnAg钎料;热阻;显微组织;剪切强度

DOI：10.15938/j.jhust.2021.03.019

中图分类号： TG425

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2021）03-0127-07

Effect of Cu Foam on the Thermal Resistance and Strength

of As-soldered Pb5Sn2.5Ag/Cu Joints

LIU Gui-yuan， SUN Feng-lian

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040，China）

Abstract：The service temperature of power electronic components is much higher than normal temperature， and the mismatch between heat generation and heat dissipation of devices is becoming increasingly prominent.The good thermal conductivity of foamed Cu is used to fill the welding material with PbSnAg alloy. It is expected to improve the thermal conductivity of existing PbSnAg joints.The study focused on thermal resistance ， microstructure and shear strength of the copper foam enhanced Cu/Pb-Sn-Ag/Cu joint.The microstructure of PbSnAg alloy is consists of matrix high lead and the mixed structure of high lead and IMCs （intermetallic compounds）. Experimental result shows that the grain of PbSnAg coarsened after the addition of Cu foam. The component of the IMCs at the copper foam and the Cu substrate are Cu3Sn. A layer with high Pb content was found between Cu and Cu3Sn.The shear strength of the solder joint decreases slightly due to the addition of the copper foam， and the Cu3Sn IMCs can be found on the shear fracture.

Keywords：Cu foam; PbSnAg solder; thermal resistance; microstructure; shear strength

0 引 言

對于功率电子器件，服役温度通常远远高于环境温度，其产热与散热能力不匹配的现象逐渐的突显出来，这就对电子封装中使用的钎料提出了更高的要求。现有的Sn基无铅钎料熔点偏低（183～243℃），抗氧化性，抗热疲劳性等性能不能满足功率器件的要求[1-3]。针对这一问题，功率电子器件的连接技术向着发高熔点合金钎料、纳米级颗粒烧结、反应钎焊、低温瞬时液相扩散连接等方向进行，这些技术方法都具有各自的优势和缺点，使其在电子封装领域中不能够大范围的推广使用[4-8]。Pb-Sn基合金因其可焊性优良、组织性能稳定、成本合理等优点，广泛地应用在电子封装领域，但是由于器件废弃后，其焊接接头中含有的Pb元素会污染环境。……