大连理工《Acta Mater》：温度梯度下Cu-Sn接头界面的准原位观察

Sn基无铅焊材已被广泛研究并在商业上用于替代Sn-Pb焊材。迄今为止，Sn-Ag-Cu焊材因其优异的机械性能和润湿性而被认为是消费电子产品中含铅焊材的最佳替代品。然而在Cu/SnAgCu/Cu微焊点中很容易形成具有少量β-Sn晶粒或单个β-Sn晶粒结构的循环孪晶结构。随着电子设备的小型化，对更薄、更小的元件需求得到提升，导致含有少量或单个β-Sn晶粒的微焊点出现严重的各向异性问题。由于β-Sn晶粒中Cu原子的扩散各向异性，接头界面处金属间化合物(IMC)的演变和生长行为大不相同，这给微焊点的可靠性带来了极大的挑战。此外，随着使用时间的延长，Cu₃Sn/Cu界面会出现大量柯肯达尔空洞。因此，了解β-Sn晶粒取向对微焊点中界面IMC生长行为的影响具有重要意义。针对扩散的各向异性问题，从低扩散率取向到高扩散率取向的宽晶粒取向的综合研究仍然缺乏。更重要的是，需要建立温度梯度(TG)下β-Sn晶粒取向与IMC生长之间的定量关系，以揭示扩散各向异性并评估微焊点的可靠性。

大连理工大学的研究人员采用不同β-Sn晶粒取向的Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu(Cu/SAC305/Cu)微焊点使用准原位方法探索温度梯度(TG)下时效过程中扩散各向异性对Cu-Sn IMCs生长的影响。对Cu/SAC305/Cu微焊点进行了不加TG的长期等温时效对比研究。相关论文以题为“Quasi-in-situ observation on diffusion anisotropy dominated asymmetrical growth of Cu-Sn IMCs under temperature gradient”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117168

Cu/SAC305/Cu微型焊点是通过在270℃下浸焊10秒制备的。为了获得高度优选的β-Sn晶粒，所制备的微焊点在加热板上250℃保持30秒，然后用加热板以6℃/min的冷却速率(回流时)冷却至180℃，经过研磨抛光，回流焊缝的最终尺寸约为300μm×100μm×600μm，时效处理温度为150℃。

研究发现TG下时效过程中，中小θ角(Sn晶粒的c轴与TG或RD方向之间的夹角)β-Sn晶粒的不对称IMC生长是以接头中Cu原子扩散各向异性为主，大θ角β-Sn晶粒接头在等温时效或TG下时效过程中对称生长。对称的IMC生长证实了β-Sn晶粒取向对界面IMC生长以及等温时效过程中Cu₃Sn和柯肯达尔空洞的形成没有影响。对于TG下的时效，IMC生长行为在不同的θ角下有显着差异，Cu₆Sn₅相始终主导IMC生长，没有形成柯肯德尔空洞。在中小θ角接头(<55.1°)中，可以清楚地观察到明显不对称的Cu₆Sn₅生长。

图1 三种Cu/SAC305/Cu微焊点的显微组织和晶粒特征

图2三种Cu/SAC305/Cu微焊点在等温时效50h、200h、400h和700h后的微观组织演变

图3 不同条件下IMCs生长模式示意图

(a)不考虑β-Sn晶粒取向的等温时效；(b)小θ角接头时效(12.2°)；(c)TG时效(35.8°)；(d)大θ角接头(83.2°)在TG下时效

图4Cu原子扩散各向异性主导的冷端Cu₆Sn₅生长行为示意图

图5 Cu/SAC305/Cu微焊点600 h时效后冷端Cu₆Sn₅晶粒的SEM图和3D图

通过分析β-Sn取向与实际接头尺寸之间的位置关系，揭示了中θ角接头冷端界面处阶梯状Cu₆Sn₅生长的机制。在大θ角(76.5°和83.2°)接头中，除了没有Cu₃Sn生长和柯肯德尔空洞外，也没有不对称的IMC生长或严重的Cu基板溶解，显示出与等温时效情况相似的现象。热端和冷端的Cu₆Sn₅的生长都是由热端的Cu的通量造成的。抑制Cu₃Sn和柯肯达尔空洞形成的机制是热端的Cu/Cu₆Sn₅界面没有Cu通量积累，而冷端的Cu/Cu₆Sn₅界面上的Cu通量很少。冷端Cu₆Sn₅的生长动力学在TG下h和cos2θ之间显示出良好的线性关系，表明扩散各向异性对IMC生长的重要性。本文方法可以预测冷端界面的IMC形貌和厚度，有利于类似焊材的可靠性评估。（文：破风）