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大连理工大学材料学院——电子封装用 Sn-xIn 钎料合金及其微焊点界面反应行为 | MDPI Electronics

已有 1058 次阅读 2023-6-28 16:29 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

原文出自 Electronics 期刊:

Du Y, Qiao Y, Ren X, Lai Y, Zhao N. Characterization of Sn-xIn Solders andThermomigration-Induced Interfacial IMC Growth of Cu/Sn-xIn/Cu Micro SolderJoints. Electronics. 2023; 12(8):1899. https://doi.org/10.3390/electronics12081899


文章导读


微电子封装技术的微型化及无铅化发展趋势下,共晶 Sn-52In 钎料因其熔点较低而在多次回流、步进焊接、低温封装和表面贴装技术等多方面展示出良好的发展前景,成为替代无铅钎料的低温钎料之一。此外,In 掺杂于其它二元或者三元钎料合金中,可以改善钎料的微观组织,降低熔点,提高力学性能及可靠性。电子产品制造及服役过程中会因散热问题而产生温度梯度,微型化发展趋势下,焊点尺寸急剧减小,温度梯度引发的原子热迁移行为对微焊点可靠性的影响愈加显著。因此,深入了解温度梯度下 In 原子的热迁移行为及对界面反应行为的影响是进一步开发含 In 钎料的关键之处。

针对此问题,来自大连理工大学的赵宁教授及其研究团队在 Electronics 期刊“Advanced Electronic Packaging Technology”栏目中发表了文章,对 Sn-xIn (x = 6, 12, 24wt.%) 钎料合金的熔化行为和 Cu/Sn-xIn/Cu 微焊点在温度梯度下的元素分布和界面金属间化合物 (Intermetallic compound, IMC) 的生长情况进行了报道,基于温度梯度诱导的原子热迁移行为,揭示了微焊点的微观组织演变和元素再分布机理。


研究过程与结果


首先,作者利用 X 射线衍射仪 (XRD-6000) 对钎料合金进行了表征分析,发现 In 的添加对钎料的相组成有显著影响,如图 1 所示。当加入少量的 In 时,钎料中含有 β-Sn 和 InSn4 相;随着 In 含量的增加,钎料中的 β-Sn 相逐渐减少,而 InSn4 相逐渐增加;最终,在 Sn-24In 钎料中只包含 InSn4 相。

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图 1. Sn-xIn 钎料的 XRD 图谱。

之后,为了观察 Cu/Sn-xIn/Cu 微焊点在温度梯度下回流及时效过程中微焊点的微观组织演变以及元素分布,作者利用场发射电子探针 (EPMA,JXA-8530F PLUS) 对微焊点进行了表征。结果表明,温度梯度下,微焊点中 Cu 原子的热迁移行为导致了界面 IMC 的非对称性生长,热端基板溶解的 Cu 原子迁移到冷端并与钎料反应生成界面 IMC 层,而在热端仅形成了一薄层的界面 IMC。回流时冷端 IMC 呈针状生长,且随着 In 含量的增加,界面 IMC 生长速率逐渐减慢,回流 60 min 后微焊点几乎形成全 IMC 焊点,如图 2 所示。而时效过程中冷端 IMC 呈层状生长,且在钎料内部发现了分散的块状 IMC,此为部分热端 Cu 原子直接与钎料中的 InSn4 相反应所生成,如图 3 所示。进行元素点分析结果表明,所有 IMC 均为 Cu6(Sn,In)5 相,是 In 原子取代 Cu6Sn5 中一部分 Sn 原子形成。

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图 2. 微焊点在温度梯度下回流后的微观组织图。

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图 3. 微焊点在温度梯度下时效后的微观组织图。

回流后微焊点中各元素在钎料及 IMC 层中均匀分布,而时效后微焊点中 In 元素呈现非均匀分布,如图 4-5 所示。作者基于温度梯度诱导的原子热迁移行为将两种现象对比分析,揭示了微焊点的微观组织演变和元素分布规律和机理,如图 6 所示。温度梯度作用下,微焊点内原子扩散的驱动力为化学势梯度及温度梯度。化学势梯度导致的原子扩散通量为 Jchem,温度梯度驱动的原子迁移通量为 JTM。原子在液态钎料中的快速扩散导致了温度梯度与化学势梯度作用相互抵消,即,所以 In 元素在钎料和 IMC 相中均匀分布。而时效过程中,原子扩散速率较慢,产生的化学势梯度较小,所以温度梯度主导了原子的迁移。Cu 原子因温度梯度作用,由热端向冷端迁移的过程会挤压冷端 In 原子,并促使其向热端迁移。随时效时间增加,大量的 Cu 原子向冷端迁移,便导致越来越多的 In 原子迁移到热端,在冷端 IMC 界面附近留下了明显的贫 In 钎料层。而新形成的冷端 IMC 中的 In 含量也随之逐渐下降,导致 IMC 相出现 In 元素的非均匀分布。因此,最终冷端 IMC 与钎料中形成了方向相反的 In 元素梯度分布。

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图 4. 温度梯度下回流 60 min 后微焊点中的元素分布图。

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图 5. 温度梯度下时效过程中微焊点 In 元素分布图。

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图 6. 微焊点微观结构演变示意图。


研究总结


本研究通过对不同 In 含量的 Sn-xIn 钎料及 Cu/Sn-xIn/Cu 微焊点的微观组织进行表征,明确了 In 添加对钎料性质、相组成及微焊点微观组织演变的影响。经过对 Cu/Sn-xIn/Cu 微焊点温度梯度下回流和时效过程中的界面 IMC 生长以及元素分布情况的对比分析,阐明了 In 添加对界面反应的影响机制;进一步基于温度梯度诱导的原子热迁移行为,揭示了温度梯度下 In 原子的迁移机理。本研究能够为含 In 钎料在电子封装中的进一步应用提供一定的理论参考。


Electronics 期刊介绍


主编:Flavio Canavero, Politecnico di Torino, Italy

期刊涵盖的研究包括但不限于以下领域:电子材料、微电子学、光电子学、工业电子、电力电子、生物电子、微波和无线通信、计算机科学与工程、系统与控制工程、电路和信号处理、半导体器件、人工智能、电动和自动驾驶汽车、量子电子等。期刊致力于快速发表与广泛电子领域相关的、最新的技术突破以及前沿发展。

2021 Impact Factor:2.690

2022 CiteScore:4.7

Time to First Decision:14.4 Days

Time to Publication:37 Days



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