Ni-MWCNTs 有效抑制倒裝LED 封裝焊層中的原子擴(kuò)散

半導(dǎo)體器件的先進(jìn)封裝在提高芯片集成度、電氣連接以及性能優(yōu)化的過程中扮演著重要角色。在實(shí)際生產(chǎn)中，焊點(diǎn)被認(rèn)為是封裝可靠性的瓶頸，一個(gè)焊點(diǎn)的失效就有可能造成器件整體失效。但是這個(gè)瓶頸是可以突破的，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)鄒軍教授團(tuán)隊(duì)通過在封裝焊料中添加納米顆粒提高了釬焊接頭的抗剪切強(qiáng)度和抗疲勞性能，以提升封裝可靠性。

多壁碳納米管（MWCNTs）具有極好的潛力，可以用作增強(qiáng)劑來生產(chǎn)先進(jìn)的納米復(fù)合材料。但其在焊料中不易均勻分布，導(dǎo)致界面連接不牢固。因此，單純的MWCNTs 作為增強(qiáng)材料具有局限性，團(tuán)隊(duì)對(duì)MWCNTs 進(jìn)行了鎳（Ni）裝飾以彌補(bǔ)缺陷。

該團(tuán)隊(duì)不是第一個(gè)提出鎳改性MWCNTs 復(fù)合焊料（Ni-MWCNTs）的。但是，當(dāng)焊點(diǎn)在惡劣的環(huán)境中服役時(shí)，一個(gè)重要因素就是老化可靠性。因此，有必要對(duì)Ni-MWCNTs 的老化性能進(jìn)行深入研究。

他們用化學(xué)鍍的方法制備了Ni-MWCNTs，然后通過球磨機(jī)將Ni-MWCNTs 與Sn-Ag-Cu 焊料充分混合，并用在倒裝LED 封裝中以驗(yàn)證復(fù)合焊料的性能，評(píng)估時(shí)效條件下復(fù)合焊料的物理性能、復(fù)合焊點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。

從復(fù)合焊料的物理性能來看，將納米復(fù)合材料增強(qiáng)劑Ni-MWCNT 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.2%時(shí)，密度連續(xù)降低到SAC 焊料合金理論值的95%。納米復(fù)合焊料擁有更高的顯微硬度，更低的潤(rùn)濕角。但是Ni-MWCNTs 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.1%時(shí)，會(huì)降低復(fù)合焊料的潤(rùn)濕性能。

從復(fù)合焊料的微觀結(jié)構(gòu)來看，隨著增強(qiáng)劑Ni-MWCNTs 的添加，IMC 層的厚度先減小后增大。添加到焊料中的Ni-MWCNTs 數(shù)量越多，IMC 層就越薄。但是，隨著Ni-MWCNTs 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加至0.2%，增強(qiáng)劑在焊料中團(tuán)聚，IMC 層的厚度略有增加。從老化時(shí)間對(duì)復(fù)合焊點(diǎn)的影響來看，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，在添加Ni-MWCNTs 增強(qiáng)劑的焊點(diǎn)中觀察到兩種不同的相組成：Cu3Sn 和（Cu,Ni）6Sn5。IMC 的厚度快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度下降。從老化溫度對(duì)復(fù)合焊點(diǎn)的影響來看，隨著老化溫度的升高，焊點(diǎn)的顆粒尺寸加粗。晶粒粗化的原因是高濃度的（Cu,Ni）6Sn5不能有效阻止晶粒長(zhǎng)大。焊點(diǎn)均出現(xiàn)了延性凹痕形態(tài)，這說明焊點(diǎn)的斷裂方式為韌性斷裂。

以上現(xiàn)象都可以根據(jù)IMC 層生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。IMC 的形成和生長(zhǎng)主要由焊盤金屬鍍層和液態(tài)焊料界面化學(xué)反應(yīng)與元素的擴(kuò)散共同決定。為了更好地描述增強(qiáng)劑Ni-MWCNTs 抑制IMC 層生長(zhǎng)，圖（a）展示了在等溫老化過程中，復(fù)合焊點(diǎn)可能的擴(kuò)散路徑：路徑1 中銅原子從扇貝峰向峰谷擴(kuò)散，路徑2 中銅原子從焊料向扇貝峰谷擴(kuò)散，路徑3 中銅原子從基板向IMC 層峰谷擴(kuò)散，路徑4 中銅原子從基板向扇貝峰擴(kuò)散，路徑5 中銅原子從焊料向扇貝峰擴(kuò)散。一般來說，主要的擴(kuò)散路徑為1 和4。但是，Ni-MWCNTs 在焊層充當(dāng)增強(qiáng)劑，阻止Cu 和Sn 原子的供應(yīng)，這抑制了擴(kuò)散路徑2、3 和5。圖（b）展示了不同納米復(fù)合焊料抑制IMC 生長(zhǎng)的情況。從圖中可以觀察到，增強(qiáng)劑Ni-MWCNTs 有效地抑制了原子的擴(kuò)散，從而抑制了IMC 層的生長(zhǎng)。此外，Ni 可以與Cu 和Sn 原子反應(yīng)并形成金屬化合物(Cu,Ni)6Sn5。

IMC 層生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)分析

目前，該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步改進(jìn)研究并提高半導(dǎo)體器件封裝焊層的可靠性，致力于提高整個(gè)器件的封裝可靠性。（翟鑫夢(mèng) 鄒軍）

原始文獻(xiàn)：

ZHAI X M,LI Y F,ZOU J,et al.Impact of different aging conditions on the IMC layer growth and shear strength of Ni-modified MWCNTs reinforced Sn-Ag-Cu composite solder[J].Soldering &Surface Mount Technology,2021.DO I:10.1108/SSMT-09-2021-0062