SiC 納米線有效抑制電子封裝中釬料焊點(diǎn)界面IMC 層的生長(zhǎng)

隨著電子器件向微型化和高集成化方向發(fā)展，如何增強(qiáng)芯片和PCB 板間結(jié)合界面的性能是亟待解決的問題。在電子器件服役期間，釬料焊點(diǎn)可以在元器件間實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接、電互連和熱互連。因此，高性能釬料的研制是電子封裝領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

江蘇師范大學(xué)張亮教授團(tuán)隊(duì)通過在Sn 釬料中添加納米線提高了焊點(diǎn)的力學(xué)性能，抑制了界面金屬間化合物（IMC）層的過度生長(zhǎng)，更好地適應(yīng)電子封裝高可靠性發(fā)展的應(yīng)用要求。碳化硅納米線（SiC NWs）具有優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電性、耐熱性、抗氧化性等，可作為陶瓷基、金屬基、樹脂基的增強(qiáng)材料，在電子器件領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

焊點(diǎn)的機(jī)械性能通常取決于釬料與基板間的結(jié)合強(qiáng)度，表明界面IMC 的生長(zhǎng)行為對(duì)于焊點(diǎn)的可靠性非常重要。當(dāng)焊點(diǎn)在惡劣的環(huán)境中服役時(shí)，焊點(diǎn)的可靠性會(huì)受到影響。

團(tuán)隊(duì)選用SiC NWs 作增強(qiáng)相來制備納米復(fù)合材料，通過機(jī)械攪拌的方式將SiCNWs 與純Sn 釬料充分混合，從潤(rùn)濕性、界面組織、剪切性能等方面分析了復(fù)合釬料的性能，評(píng)估了時(shí)效、熱循環(huán)條件下Sn/Cu 和Sn-0.6SiC/Cu 兩種釬料焊點(diǎn)的微觀組織演化規(guī)律與可靠性。

在時(shí)效和熱循環(huán)條件下，觀察釬料焊點(diǎn)界面組織的生長(zhǎng)行為，發(fā)現(xiàn)在時(shí)效50 h 或熱循環(huán)300 次后，Sn/Cu 和Sn-0.6SiC/Cu 焊點(diǎn)的IMC 層均出現(xiàn)Cu6Sn5和Cu3Sn IMC 的雙層結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)或熱循環(huán)次數(shù)的增加，兩種釬料焊點(diǎn)界面IMC 均逐漸變厚，但在相同服役時(shí)間下，含有SiC NWs 復(fù)合釬料焊點(diǎn)的IMC 更薄。SiC NWs 的加入降低了界面IMC 的互擴(kuò)散系數(shù)，說明了納米線的加入阻礙了IMC 的生長(zhǎng)。此外，在相同條件下，含SiC NWs 的復(fù)合釬料焊點(diǎn)界面處的裂紋比未添加增強(qiáng)相的釬料焊點(diǎn)少，表明添加SiC NWs 可以提高焊點(diǎn)的可靠性。

在時(shí)效條件下，對(duì)釬料焊點(diǎn)界面IMC 頂部形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)添加SiC NWs 后，在相同時(shí)效時(shí)間下，含SiC NWs 的復(fù)合釬料焊點(diǎn)界面Cu6Sn5晶粒的尺寸明顯小于Sn/Cu 焊點(diǎn)，說明SiC NWs 的添加阻礙了晶粒的生長(zhǎng)。時(shí)效250 h 后，Sn/Cu 焊點(diǎn)中的晶粒出現(xiàn)明顯大裂紋，而Sn-0.6SiC/Cu 焊點(diǎn)中晶粒沒有出現(xiàn)明顯裂紋，說明SiC NWs 的添加提高了焊點(diǎn)的可靠性。

根據(jù)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，IMC 的形成和生長(zhǎng)主要由基板和熔融釬料界面擴(kuò)散反應(yīng)控制。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，界面Sn 和Cu 元素?cái)U(kuò)散，不斷反應(yīng)形成Cu6Sn5和Cu3Sn 層，因此IMC 層逐漸增厚。團(tuán)隊(duì)將增強(qiáng)相SiC NWs 對(duì)界面IMC 層生長(zhǎng)的抑制機(jī)理歸因于吸附理論和釘扎效應(yīng)，圖（a）展示了在釬焊過程中復(fù)合釬料焊點(diǎn)中IMC 晶粒的頂部形貌，圖（b）和（c）為相關(guān)的元素分析，表明SiC NWs 聚集在Cu6Sn5IMC 以及晶界上，揭示了SiC NWs 對(duì)釬料焊點(diǎn)IMC 生長(zhǎng)的影響機(jī)理。一方面，SiC NWs 吸附在Cu6Sn5IMC 晶粒表面，降低了晶粒表面自由能，從而抑制了界面IMC 的生長(zhǎng)；另一方面，SiC NWs 釘扎在晶界處，阻礙了晶界的滑移，從而抑制了IMC 晶粒的生長(zhǎng)。因此，SiC NWs 的添加有效抑制了界面IMC 層的生長(zhǎng)。

IMC 晶粒頂部形貌及EDS 分析

目前，該團(tuán)隊(duì)采用瞬時(shí)液相鍵合技術(shù)擬制備Cu/Sn-SiC/Cu 三維焊點(diǎn)，形成全I(xiàn)MC 的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)，即在IMC 焊點(diǎn)內(nèi)部均勻分布SiC NWs，研究瞬時(shí)液相鍵合工藝參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)組織的影響，分析不同鍵合溫度、鍵合時(shí)間、壓力下焊點(diǎn)的組織演化規(guī)律與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，以期通過添加SiC NWs 來提高三維封裝系統(tǒng)的可靠性。（張亮）

原始文獻(xiàn)：

LI M L, GAO L L, ZHANG L, et al. Interfacial evolution of pure Sn solder bearing silicon carbide nanowires under isothermal aging and thermal cycling[J]. Journal of Materials Research and Technology,2021,15:3974-3982.