微小互连Cu-Sn界面钎焊及接头剪切行为

针对Cu-Sn-Cu三明治结构,进行0.06 MPa恒压钎焊. 基于Cu-Sn二元相图,选定了不同的钎焊温度与钎焊时间. 钎焊完成后,根据不同相组成可将接头分为残余锡,Cu₃Sn-Cu₆Sn₅-Cu₃Sn,Cu-Cu₃Sn-Cu三类. 为研究三种不同相组成接头抗剪强度之间的关系,进行1 mm/min加载速率的剪切试验,并对断口进行形貌分析. 结果表明,随着Sn与Cu₆Sn₅相继耗尽,接头抗剪强度不断升高. 残余锡接头,Cu₃Sn-Cu₆Sn₅-Cu₃Sn接头,Cu-Cu₃Sn-Cu接头抗剪强度分别为23.26,33.59,51.83 MPa. 分析断口形貌发现,在残余Sn接头断口中,可以分辨出Sn,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn形貌,说明其断裂路径穿过了Cu₆Sn₅与Cu₃Sn两相. 在Cu₃Sn-Cu₆Sn₅-Cu₃Sn接头断口中,可分辨出Cu₆Sn₅,Cu₃Sn形貌,其断裂路径穿过了Cu₃Sn相. 全Cu₃Sn相接头断口中仅可分辨出Cu₃Sn相断裂形貌.     

回流时间对纯铜基板Sn0.3Ag0.7Cu钎料钎焊焊点组织和力学性能影响

以Sn0.3Ag0.7Cu为钎料,纯Cu板为基板,采用过渡液相扩散焊工艺制备Cu/Cu₃Sn/Cu₆Sn₅/Cu₃Sn/Cu多层结构全金属间化合物焊点,通过扫描电子显微镜和能谱仪分析了焊点的组织形貌和成分,测试了焊点的抗剪强度,研究了界面金属间化合物的生长机理。结果表明,由于温度梯度的影响,冷端Cu₆Sn₅生长速度大于热端。回流时间为5 h时,焊缝形成全金属间化合物,焊缝界面较为平整且无缺陷,抗剪强度由32.16 MPa降至21.29 MPa,降低了33.8%,断裂模式由塑性断裂最终演变为脆性断裂。     

β-Sn晶粒取向及温度对Cu/SAC305/Cu微焊点时效界面反应的影响

为了探究不同等温时效温度下β-Sn晶粒取向及晶界特征对界面反应的影响,采用准原位观测手段对不同Sn取向的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu(Cu/SAC305/Cu)微焊点进行研究. 结果表明,在不同温度下时效时,微焊点两侧界面IMC(Cu₆Sn₅ + Cu₃Sn两相)自始至终呈现对称性生长,表明时效过程中β-Sn晶粒取向及晶界的存在不会影响界面反应. 但是随着时效温度的升高,界面IMC的形貌和厚度发生明显变化. 在100 ℃时效后,界面处生成扇贝状的Cu₆Sn₅和较薄的不连续的Cu₃Sn层;在125 ℃时效后,界面处生成扇贝状的Cu₆Sn₅和较薄的连续的Cu₃Sn层;而在150 ℃时效后,界面IMC由层状Cu₆Sn₅和层状Cu₃Sn双层结构组成. 时效温度的升高促使Cu和Sn原子扩散加快,促进了扇贝状Cu₆Sn₅向层状转变并造成Cu₃Sn的快速生长. 同时,基于界面IMC厚度随时效时间的演变规律,获得了不同时效温度下微焊点界面IMC生长曲线,可为Sn基微焊点的可靠性评价提供依据.     

时效处理对镍/巴氏合金界面组织及性能的影响

为了考究铜基轴瓦的加速破坏过程,主要分析等温时效处理对巴氏合金基体及Sn/Cu接头、Sn/Ni接头、镍/巴氏合金静浇试样的界面组织和结合强度的影响规律.结果表明,经176℃,500 h时效处理后,巴氏合金基体中Cu₆Sn₅相的比例显著增加;镍/巴氏合金界面化合物相（可能是Ni₃Sn₄相）呈现增厚趋势,其增厚速度慢于Cu₆Sn₅相的增长.随着时效时间延长,Sn/Cu、镍/巴氏合金的结合强度均逐渐降低,500 h后分别降至22和48 MPa,前者降低的原因是界面附近Cu₆Sn₅脆性相的堆积生长,后者虽降低但仍满足技术要求.在铜基体表面增加镍中间层可有效抑制Cu₆Sn₅相的形成,保证时效处理后铜基轴瓦的工业使用性.     

Cu-Sn体系LTTLP连接接头强度与断口分析

文中通过研究连接时间和连接温度对Cu/Sn/Cu体系LTTLP连接接头力学性能的影响规律及观察接头断口形貌,分析了接头组织对其断裂过程的影响机制.结果表明,连接温度为300℃时,随着连接时间的增加,接头抗减强度先增加后保持不变,由连接15 min时的16.9 MPa增高至连接120 min后的超过30 MPa;Cu₃Sn型接头的力学性能最优,且残留少量Cu₆Sn₅晶粒时亦不会降低其接头强度;从Sn型接头至Cu₃Sn型接头的转变,接头断裂模式由韧性断裂逐渐过渡到脆性断裂.连接温度从260℃升高至350℃,对Cu₃Sn型接头的抗剪强度影响不大,始终保持在30 MPa以上,接头断裂模式均为解理断裂.     

Sn3.0Ag0.5Cu/Cu回流焊点界面化合物尺寸分布特征及生长机制

在电子封装过程中,钎料与基体之间形成金属间化合物层,其主要成分为Cu₆Sn₅,Cu₆Sn₅晶粒的尺寸和形貌特征能够显著影响焊点的服役性能. 采用回流焊的方法制备了一系列Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点,使用Image-Pro Plus软件对焊接界面化合物Cu₆Sn₅晶粒的尺寸分布和化合物层的厚度进行了统计分析. 结果表明,Cu₆Sn₅的平均粒径正比于t0.38(t为回流时间), 界面化合物层的平均厚度正比于t0.32. 随着回流时间的增加,界面化合物生长速度变慢,Cu₆Sn₅晶粒的尺寸分布更加均匀. 回流时间较长的样品中Cu₆Sn₅的粒径尺寸分布与FRD模型的理论曲线基本相符,而对于回流时间短的样品,晶粒尺寸分布与FRD理论偏离较大. 统计结果显示,出现频次最高的晶粒尺寸小于平均值. 最后讨论了界面Cu₆Sn₅晶粒的生长机制,分析了回流时间对界面Cu₆Sn₅晶粒生长方式的影响.     

石墨/紫铜间接钎焊接头的界面组织及力学性能

在950℃,30 min条件下,采用含活性元素Ti的Sn0.3Ag0.7Cu-x Ti(x=1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,质量分数,%)金属粉末对石墨进行反应金属化,然后用Sn0.3Ag0.7Cu钎料在真空条件下实现了紫铜和石墨的间接钎焊.钎焊接头的典型界面结构为:紫铜/Cu3Sn/Cu6Sn5/b-Sn/Ti C/石墨.在反应金属化过程中金属化粉末中的Ti起到重要作用,而Ti含量对钎焊接头的界面组织和抗剪强度没有影响.随着钎焊温度升高,紫铜中越来越多的Cu溶解到液相钎料中反应生成Cu-Sn化合物,接头的抗剪强度有一定程度的提高.断口分析表明:接头主要在b-Sn层中断裂,并呈现韧性断裂.当Cu-Sn化合物充满整个钎缝(600℃),接头强度大幅提高,达到30 MPa,接头在石墨母材完全断裂.     

Zn元素对Sn0.5Ag0.7Cu/Cu接头剪切性能和时效接头组织结构的影响

为了改善Sn0.5Ag0.7Cu/Cu接头组织结构和力学性能,通过在Sn0.5Ag0.7Cu钎料中添加Zn元素,以Sn0.5Ag0.7Cu-xZn (x=0, 0.1, 0.4, 0.7, 1)钎料合金对紫铜基板进行了熔钎焊试验,并对接头进行微观组织及力学性能分析. 结果表明,改变了接头结合界面处金属间化合物(intermetallic compound,IMC)组织结构,增强了接头剪切断裂的韧性断裂特征,提高了接头抗剪强度. 当Zn元素的加入量为0.4% (质量分数)时,接头抗剪强度达到最高的47.81 MPa. 添加Zn元素等温时效处理后,对接头中IMC层的生长有着抑制作用,并且随着时效温度的提高和时效时间的延长,脆性层Cu₅Zn₈会破碎直至消失,因此在改善接头结合界面处IMC组织性能的同时,不会改变其组成和结构.     

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响

研究了温度为150℃,电流密度为5.0×10³A/cm²的条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响.回流焊后在Sn3.0Ag0.5Cu/Ni和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu的界面上均形成了（Cu,Ni）₆Sn₅型化合物.时效过程中界面化合物随时效时间增加而增厚,时效800 h后两端的化合物并没有发生转变,仍为（Cu,Ni）₆Sn₅型.电流方向对Cu基板的消耗起着决定作用.当电子从基板端流向芯片端时,电流导致基板端Cu焊盘发生局部快速溶解,并导致裂纹在Sn3.0Ag0.5Cu/（Cu,Ni）₆Sn₅界面产生,溶解到钎料中的Cu原子在钎料中沿着电子运动的方向向阳极扩散,并与钎料中的Sn原子发生反应生成大量的Cu₆Sn₅化合物颗粒.当电子从芯片端流向基板端时,芯片端Ni UBM层没有发生明显的溶解,在靠近阳极界面处的钎料中有少量的Cu₆Sn₅化合物颗粒生成,电迁移800 h后焊点仍保持完好.电迁移过程中无论电子的运动方向如何,均促进了阳极界面处（Cu,Ni）₆Sn₅的生长,阳极界面IMC厚度明显大于阴极界面IMC的厚度.与Ni相比,当Cu作为阴极时焊点更容易在电迁移作用下失效.     

Fe颗粒对时效过程中SnBi/Cu接头组织及性能影响

针对SnBi/Cu接头在服役过程中组织和性能变差的问题,通过用扫描电镜(SEM)观察时效前后Sn35Bi-1Fe/Cu接头组织,结合EDS和XRD分析,分析接头组织变化;利用万能试验机,测试接头力学性能,研究Fe颗粒对时效过程中SnBi/Cu接头组织及性能影响. 结果表明,焊后Sn35Bi-xFe/Cu (x = 0%,0.3%,0.7%,1.0%和1.5%)接头的抗剪强度随Fe颗粒含量先增加后降低. 当Fe颗粒含量为1% (质量分数,%)时,取得最大值50.23 MPa,且Sn35Bi-1.5Fe/Cu接头的力学性能依旧比Sn35Bi/Cu接头好;在恒温时效阶段,Sn35Bi-1Fe/Cu接头中Fe颗粒通过对Bi相的钉扎作用,以及与Sn反应生成FeSn₂化合物,消耗晶界能量,降低Bi相的迁移速率,抑制Bi相粗化,还能有效降低界面IMC层的生长速率,抑制界面Cu₃Sn的生成,改善接头在服役阶段的力学性能.     

AlN陶瓷/Cu异质材料低温过渡液相扩散连接

为了实现AlN陶瓷与Cu的低温连接、高温服役的目标,满足高温功率器件的服役需求,设计了一种连接方法,在350?℃的大气环境下采用超声辅助熔焊的方式在AlN陶瓷表面熔覆了Sn-Al-Cu活性钎料层,之后将熔覆活性钎料的AlN陶瓷与Cu在保温温度300?℃下进行过渡液相(transient?liquid?phase,?TL...     

Cu和Sb元素添加对Sn-Bi共晶合金性能的影响

向Sn-Bi共晶合金中同时添加Cu和Sb元素设计额定温度为142℃的易熔合金,并对合金的熔点、相组成、准静态拉伸性能、焊接接头力学性能进行了研究.结果表明,Cu与Sb元素的添加使合金的熔点上升,但是合金的过冷度和熔化潜热下降.添加Cu和Sb元素后,在合金基体内形成了块状的SnSb相和长条状的Cu6Sn5、Cu3Sn相,...     

电子封装中Cu/Sn/Cu焊点组织演变及温度对IMC立体形貌影响

通过电镀的方法在抛磨好的铜基体沉积4 μm的锡层,并组合成一个Cu/Sn/Cu结构.分别选择240℃、1 N作为钎焊温度和钎焊压力,在不同的钎焊时间下制备焊点,分析了Cu/Sn/Cu焊点组织演变规律.分别制备了不同钎焊温度下（240,270,300℃） Cu₆Sn₅和Cu₃Sn的立体形貌,分析了温度对Cu₆Sn₅和Cu₃Sn立体形貌的影响规律.结果表明,钎焊30 min后Cu₆Sn₅为平面状,随着钎焊时间的增加逐渐转变成扇贝状.在扇贝底部的Cu₃Sn要比扇贝两侧底部的Cu₃Sn厚.增加钎焊时间锡不断被反应,上下两侧Cu₆Sn₅连成一个整体.继续增加钎焊时间Cu₆Sn₅不断转变成为Cu₃Sn.随着钎焊温度的升高Cu₆Sn₅的立体形貌逐渐由多面体状转变成匍匐状,而Cu₃Sn晶粒随着钎焊温度上升不断减小.     

超低银SAC钎料焊点界面显微组织演化

研究了复合添加Ga/Nd元素的超低银Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料在长期时效过程中的微焊点界面组织演化情况. 结果表明,复合添加适量Ga/Nd元素可以显著改善时效后微焊点界面组织,抑制微焊点界面附近大块状金属间化合物以及稀土相的生成. 经720 h时效后,即使在含有过量Nd元素的微焊点界面仍没有发现明显的Ag₃Sn相和稀土相,取而代之的是小块状的新相,结合EDS和XRD分析结果推测该相含有Ga₂Nd与Cu₆Sn₅. 经过长期时效处理后,微焊点抗剪力接近Sn-3.8Ag-0.7Cu焊点抗剪力的90%,具有较好的力学性能.     

Ni含量对304/Sn-8Sb-4Cu-xNi/304钎焊接头组织与剪切性能的影响

研究了Ni含量对Sn-8Sb-4Cu-xNi(x=0, 0.5, 1和2,质量分数)钎料熔点和微观组织的影响,用Sn-8Sb-4CuxNi钎料对304不锈钢进行钎焊连接,分析了接头的界面组织与剪切性能.结果表明,添加不同含量的Ni后,Sn-8Sb-4Cu-xNi均为近共晶钎料,其熔点约为245℃;Sn-8Sb-4Cu钎料组织由α相基体、Sb₂Sn₃+Cu₆Sn₅+Sn复合相和Cu₆(Sn,Sb)₅相组成.添加Ni元素后,钎料中块状Cu₆(Sn,Sb)₅转变为细小、均匀分布的(Cu,Ni)₆(Sn,Sb)₅.当Ni含量小于1%时,随Ni含量的增加,钎料中的复合相和(Cu,Ni)₆(Sn,Sb)₅相均增加;当Ni含量为2%时,钎料中的复合相和(Cu,Ni)₆(Sn,Sb)₅相均减少,但(...     

Ni-CNTs增强颗粒对Sn58Bi-0.1Er焊点组织与力学性能的影响

采用真空熔炼方法制备了不同Ni-CNTs含量的Sn58Bi-0.1Er钎料合金,研究不同Ni-CNTs含量对Sn58Bi-0.1Er复合钎料在Cu 基板上的润湿性能的影响,并对不同Ni-CNTs含量下接头界面处金属间化合物的组织形貌及接头的剪切性能进行了分析. 结果表明,当Ni-CNTs 增强颗粒的添加为0.01% ~ 0.05%(质量分数)时,复合钎料合金在铜板上的润湿性得到了提高,随着Ni-CNTs含量的进一步增加,复合钎料在铜板上的润湿性开始呈下降趋势;随着Ni-CNTs的加入,Sn58Bi/Cu界面金属间化合物由锯齿状的Cu₆Sn₅转变成薄层状的(Cu, Ni)₆Sn₅, Ni-CNTs增强颗粒的加入可以有效减小界面金属间化合物层的厚度;Ni-CNTs增强颗粒的加入提高了Sn58Bi/Cu接头的剪切力,当Ni-CNTs的添加量为0.1%时,接头的剪切力最高为432.86 N,较Sn58Bi-0.1Er钎料接头的剪切力提升了两倍以上. Ni-CNTs增强颗粒的添加有效地改善了Sn58Bi-0.1Er接头的力学性能.