孫鳳蓮 李文鵬 潘振

摘 要：為了研究不同Cu/Sn比對復合微焊點IMC-Cu界面生長行為的影響，采用瞬態(tài)液相連接技術(shù)與熱壓焊相結(jié)合的方法，以泡沫銅、純Sn和Cu基板為原料，制備IMC-Cu復合微焊點研究不同Cu/Sn比對復合微焊點IMC生長行為影響。結(jié)果表明： Cu/Sn比對復合焊點中IMC生長行為影響顯著。隨著焊點中Sn含量的減少，IMC的生長速度增加。降低復合微焊點中Sn含量有利于反應界面處Cu3Sn的生長;獲得全Cu3Sn-Cu復合微焊點的時間隨焊點中Sn含量降低而減少。在相同焊接條件下，Sn質(zhì)量分數(shù)為20%的微焊點在焊接25min時率先生成全Cu3Sn接頭，較Sn質(zhì)量分數(shù)為40%時焊接時間縮短了20%。當ω（Sn）在20%～40%范圍內(nèi)，隨焊點中Sn含量減少，Cu3Sn的生長速度增加，獲得全Cu3Sn-Cu復合微焊點的時間縮短。

關(guān)鍵詞：IMC-Cu復合微焊點;泡沫銅;Cu/Sn比;微觀組織

DOI：10.15938/j.jhust.2021.06.017

中圖分類號： TG425.1

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2021）06-0124-07

The Correlation Between Cu/Sn Ratios and the Formation Speed

of IMC-Cu Composite Micro Solder Joints

SUN Feng-lian， LI Wen-peng， PAN Zhen

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：In order to study the effect of different Cu/Sn ratios on the IMC-Cu interface behavior of composite micro solder joints， this article uses a combination of Transient Liquid Phase Welding and pressure，using foamed copper， pure Sn and Cu substrates as raw materials to prepare IMC-Cu composite micro solder joints.The effect of different Cu/Sn ratio on the growth behavior of composite micro solder joint IMC was studied.The results show that the ratio of Cu/Sn has a significant effect on the growth behavior of IMC in composite solder joints.As the Cu content in the solder joint increases， the growth rate of the overall thickness of the IMC increases.Reducing the Sn content in the composite micro solder joint is beneficial to the growth of Cu3Sn at the reaction interface.The time to obtain all Cu3Sn-Cu composite micro solder joints decreases with the decrease of Sn content in the solder joints. Under the same welding conditions.when the bonding time is 25 minutes， the full Cu3Sn joint is formed first when the Sn content in the composite micro solder joint is 20%， which is 20% shorter than the bonding time when the Sn content is 40%.When the Sn content is in the range of 20%-40%， with the decrease of the Sn content in the solder joints， the growth rate of Cu3Sn increases， and the time to obtain all Cu3Sn-Cu composite micro solder joints is shortened.

Keywords：IMC-Cu composite micro solder joint; foamed copper; Cu/Sn ratio; microstructure

0 引 言

電子封裝技術(shù)是一種電子設(shè)備的元器件組合的綜合性技術(shù)，主要是由電子回路的電子元器件、半導體器件組成。當前，微電子封裝技術(shù)正向高功率、高頻、高密度發(fā)展，同時3D集成封裝也隨之得到廣泛研究應用[1]。近年來，各國對電子集成產(chǎn)業(yè)的愈加重視，微電子封裝材料也得到了相應地的發(fā)展[2-4]。隨著時代的發(fā)展，科學技術(shù)的不斷進步，微電子封裝材料也經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代，目前，以氮化鎵（GaN） 、氧化鋅（ZnO） 、碳化硅（SiC） 、氮化鋁（AlN）、金剛石為代表的第三代半導體新型材料憑借著他們優(yōu)良的特性正被廣泛研究應用。使用第三代半導體新型材料制成的高溫功率器件，可以顯著提升設(shè)備應用性能、減小設(shè)備體積與重量并且減少設(shè)備損耗。在一些極端工作環(huán)境中大功率、高電壓、高頻率以及高服役溫度的，也表現(xiàn)出很高的可靠性和高溫服役穩(wěn)定性。當前多種類型的高功率芯片由碳化硅制作，應用于許多領(lǐng)域均有良好的表現(xiàn)，實現(xiàn)了商業(yè)化轉(zhuǎn)化，未來可能完全替代硅材料半導體[5]。

但是，第三代半導體功率器件在具有顯著優(yōu)勢的同時也有著一些限定，因為這種半導體器件在工作時的功率很大，導致其工作時溫度較高，因為無鉛釬料中傳統(tǒng)Sn基有著相對較低的熔點，所以無法滿足這些新型高溫功器件的耐高溫服役及封裝要求。當前，半導體功率器件中，芯片貼裝的方式主要有高溫合金釬料焊接法、納米Ag 燒結(jié)、瞬態(tài)液相連接技術(shù)（transient liquid phase bonding， TLP）和導電膠粘接等[6-9]。每種貼裝方式均有其優(yōu)勢以及相應的應用局限性。

瞬間液態(tài)連接技術(shù)（TLP）是擴散原理在焊接中的一種應用方法，當兩種不同熔點的金屬/合金連接接合時，溫度升高到低熔點金屬/合金與高熔點金屬/合金之間時，金屬/合金A逐漸熔化成液相，在與B合金固相接觸界面產(chǎn)生擴散反應，逐漸生成熔點高于母材的IMC （intermetallic compound，以下簡稱IMC），實現(xiàn)在較低的溫度下焊接，獲得相對較高熔點的焊接接頭。Cu-Sn固液互擴散體系在280℃下焊接得到的焊接接頭IMC相熔點高于415℃，瞬間液態(tài)連接技術(shù)的要點在于增加焊接時間，讓低熔點合金相完全轉(zhuǎn)化成高熔點合金相。

Li等[10]通過研究由瞬間液態(tài)連接技術(shù)制成的Cu-Sn焊點，詳細分析了焊點中的Cu-Sn IMC生長過程，結(jié)果表明，在溫度為340℃的回流焊接條件下，使用純Cu基板與釬料Sn層為30μm的接頭進行焊接，焊接剛開始時，焊縫中主要發(fā)生擴散反應，液態(tài)的Sn與Cu基板發(fā)生反應產(chǎn)生Cu6Sn5，在焊縫中由Cu基板向釬料層呈扇貝狀逐漸生長，隨著焊接時間增加，焊縫內(nèi)的釬料Sn被反應完畢，并全部轉(zhuǎn)化為Cu6Sn5，繼續(xù)延長焊接時間，焊縫內(nèi)的Cu6Sn5全部轉(zhuǎn)化為Cu3Sn。

Wu等[11]對TLP焊接時釬料層的厚度進行了研究，分析控制由瞬間液態(tài)連接技術(shù)制成的Cu-Sn微焊點的生成物，當復合微焊點中，Cu基板和釬料層厚度相等時，回流焊接30min，焊接溫度在260℃時就可獲得全Cu3Sn焊接接頭。瞬間液態(tài)連接技術(shù)可以實現(xiàn)低溫焊接，得到耐高溫的焊接接頭，但由于TLP工藝自身的局限，得到的復合微焊點很?。ā?0μm），全化合物焊接接頭過薄會影響其對應力應變吸收，進而影響其可靠性 [12-14]。

泡沫Cu是種性能優(yōu)良的新型功能結(jié)構(gòu)材料，由一定的內(nèi)部孔隙和一定強度的Cu骨架組成，因為泡沫Cu內(nèi)部的的孔徑尺寸與孔隙數(shù)量不同，使泡沫Cu具有卓越的機械與物理性能。并且泡沫Cu結(jié)構(gòu)具有較高的表面積、較低的密度等特點，使得泡沫銅展現(xiàn)出多方面的特性，例如熱傳導、耐熱抗氧化性、消聲抗震性、抗沖擊性等，從而在熱交換、催化劑、電池材料、消音器、建筑材料、生物醫(yī)學等多領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應用場景 [15-17]。

目前泡沫銅的應用逐漸成為功能材料研究的熱點，本文利用泡沫銅結(jié)構(gòu)的高比表面積特點，結(jié)合瞬時液相擴散方法與熱壓焊壓力，提出一種高溫功率器件封裝材料的應用，以壓制的泡沫Cu片浸錫，制成復合焊點進行焊接，由于泡沫Cu結(jié)構(gòu)的多孔性，使得復合微焊點中Cu與Sn的反應面積大幅度增加。且TLP體系中Sn的熔化溫度相對較低，熱壓焊后得到高熔點的全化合物復合微焊點，通過瞬間液態(tài)連接技術(shù)與泡沫銅的高表面積特點結(jié)合，可以在較低壓力與較低溫度下快速制備焊接接頭，且焊接完成后能得到滿足高溫服役要求的復合微焊點，從而滿足當下對第三代半導體功率器件的“低溫焊接、高溫服役”的應用要求。

微電子封裝中焊點的制備溫度通常在240～360℃之間[18-21]，本研究在此溫度區(qū)間進行論證試驗后，焊接溫度選擇較為適宜的330℃。為滿足當下微電子封裝中對高溫功率器件封裝材料日益嚴格的要求，本文以浸錫的泡沫銅焊片為連接材料，純銅片作為基板通過熱壓焊來制備全化合物接頭，研究不同Cu-Sn 比對形成IMC-Cu復合微焊點生長行為的影響，通過焊接不同Cu/Sn比的Cu/Sn-泡沫銅/Cu三明治結(jié)構(gòu)焊片，研究不同Cu/Sn比對界面Cu3Sn層生長速度的影響，找出最先生成全Cu3Sn接頭的Cu/Sn比，探究IMC中化合物變化的規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 實驗材料

試驗采用尺寸為6mm×6mm×1mm，孔隙率為110ppi的泡沫銅片，將其厚度擠壓變形為0.1、0.2、0.3mm，用濃度為0.5%的鹽酸酒精溶液酸洗去除氧化膜，酸洗之后放入酒精中超聲清洗，干燥后單面涂抹LF-4300-TF助焊劑浸入液態(tài)錫中，擠壓、裁剪制成2×2mm的焊片。將尺寸為6mm×6mm×0.1mm的Cu板作為基板，焊接之前需要依次用稀鹽酸溶液和酒精各超聲清洗3min。

1.2 工藝

為研究不同Cu/Sn比對IMC生長行為的影響，分別設(shè)計了復合微焊點中Sn質(zhì)量分數(shù)為20%、30%、40%的實驗組，焊點結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱壓焊焊接溫度為330℃，焊接壓力為0.6MPa，焊接時間為5～30min。焊接完成后，將微焊點從加熱平臺上取出并空氣冷卻。將復合微焊點接頭用金剛石砂紙研磨、拋光進行金相制樣。

1.3 觀測方法

使用金相顯微鏡觀察微焊點組織，以此來分析其在焊接過程中的組織演變規(guī)律，使用Nano Measurer圖像處理軟件測量界面中各化合物厚度。為減少實驗誤差對結(jié)果影響，各化合物厚度是在同種工藝同種條件下獲得的微焊點的多批數(shù)據(jù)的均值，數(shù)據(jù)具有重復性及代表性。另外為確定微焊點的IMC種類，使用掃描電子顯微鏡（SEM）技術(shù)對其進行測量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊點中IMC界面組織演變

Cu/Sn-泡沫銅/Cu復合微焊點在0.6MPa壓力，330℃的溫度條件下進行不同Cu/Sn比的焊接試驗，對結(jié)果進行的分析得知，不同Cu/Sn比僅影響IMC生長速度，不影響形貌變化規(guī)律，所以本節(jié)對ω（Sn）為30%的復合微焊點組織形貌進行分析，復合微焊點的組織形貌隨不同焊接時間演變過程的如圖2所示。

如圖2（a）所示，焊接5min時，在局部形成扇貝狀化合物，結(jié)合焊接15min后的焊點界面SEM及EDS分析（見圖3）可知這種IMC為Cu6Sn5，中間大量Sn釬料未發(fā)生反應， Cu韌帶/Cu基板與Cu6Sn5接觸界面生成了一層略薄的Cu3Sn。圖2（a）中Cu6Sn5呈扇貝狀向釬料側(cè)生長，因為化合物呈扇貝狀生長，可以提供最大的自由能改變率，對化合物反應大有裨益[22]。

如圖2（b）所示，當焊接時間為10min時，扇貝狀Cu6Sn5相互接觸形成一層連續(xù)的Cu6Sn5相。Cu3Sn厚度也在在隨著焊接時間的增加而增加，此時Cu3Sn層與Cu6Sn5層均增長。如圖2（c）所示，隨著焊接時間延長，Cu6Sn5與Cu3Sn的厚度逐漸增加，釬料周圍的Cu6Sn5層生長接觸，直至焊點中的Sn消耗完畢，形成 的Cu6Sn5相。之后復合微焊點中的Cu6Sn5層緩慢減少， Cu3Sn層的厚度緩慢增加，由此可知，隨著焊接時間的增加，焊點中的Cu6Sn5相逐漸轉(zhuǎn)化為Cu3Sn相。圖2（f）為焊接30min后的界面顯微組織圖，觀察圖片發(fā)現(xiàn)，此時Cu6Sn5被完全消耗，復合微焊點焊點中只含有Cu3Sn與Cu韌帶。

2.2 不同CU/SN比對焊點IMC生長速度的影響

為了分析不同Cu/Sn比對形成復合微焊點中化合物厚度的影響，分別對w（Sn）=20%、30%、40%的復合微焊點金屬間化合物厚度，使用Nano Measurer尺寸統(tǒng)計軟件進行提取測量，根據(jù)軟件測量的有效數(shù)據(jù)，取其平均值為金屬間各化合物厚度。圖4是使用Nano Measurer測量焊接時間為10min的復合微焊點金相圖中的Cu3Sn厚度的界面。圖5為復合微焊點在熱壓焊下IMC厚度（Cu6Sn5+Cu3Sn）隨焊接時間的變化圖。

由圖5可知，焊接過程中IMC-Cu復合微焊點界面IMC層的生長受Cu/Sn比的影響顯著。焊接時間3min時， Sn質(zhì)量分數(shù)為20%、30% 、40%的焊點中， IMC層的厚度分別為5.6、5.39、5.17μm，呈現(xiàn)略微減小的趨勢。隨著焊接的持續(xù)進行，IMC 厚度增加速度逐漸減緩，經(jīng)過30min焊接后， IMC 厚度分別為6.74、7.44、8.18μm，高溫停留過程中IMC 厚度依次增加了1.14、2.05、3.01μm。

隨著焊接時間的不斷增加，復合微焊點中IMC 厚度不斷增加，生長速度逐漸降低，且3組焊點的IMC 生長速度在不同時間點均出現(xiàn)明顯下降。在IMC的 生長速度下降拐點出現(xiàn)前，焊點中IMC 厚度增加較快，且焊點中Sn含量越高，IMC的生長速度越低。生長速度下降拐點后，3組焊接接頭的IMC厚度變化較小。Sn質(zhì)量分數(shù)為20%的焊點速度下降拐點發(fā)生在5～10min，Sn質(zhì)量分數(shù)為30% 的速度下降拐點發(fā)生在10～15min，Sn質(zhì)量分數(shù)為40%的速度下降拐點發(fā)生在15～20min，通過對3組焊點的IMC組織演變分析，發(fā)現(xiàn)IMC生長速度發(fā)生明顯下降的時間，與焊點中Sn釬料被完全消耗時相吻合。

因為在焊接初期，釬料Sn熔化成液態(tài)，與泡沫銅發(fā)生化學反應，生成Cu6Sn5與Cu3Sn，生長速度較快，當焊點中的釬料被完全消耗，焊點中只存在Cu6Sn5與Cu生成Cu3Sn的固態(tài)反應，因此Sn釬料被完全消耗前后IMC的 生長速度發(fā)生明顯變化。在Sn消耗完成之前，隨著焊點中Cu含量的增加，IMC生長速度增大，是由于在相同體積下，Sn含量少的焊點中Cu韌帶的數(shù)目更多，Cu與熔化的Sn釬料接觸面積增大，使得IMC 生長速度加快。并且焊點中Sn含量越少，Cu韌帶數(shù)目越多，Cu韌帶之間的距離越小，使得在同樣條件下，Cu原子擴散到反應界面處的距離越小，促進IMC繼續(xù)生長。綜合上述兩個因素，得出復合微焊點中Sn含量越低，IMC層在焊接中生長的越快。

觀察圖5不同焊接時間的微焊點中IMC 厚度變化發(fā)現(xiàn)，焊點中IMC 厚度在15min后隨著焊接時間的增加而略微下降。而不加焊接壓力情況下， IMC厚度隨著焊接時間增加逐漸增加，增加速率逐漸下降，直至焊接接頭中的化合物全部形成Cu3Sn。對此現(xiàn)象進行分析，首先可能是由于誤差因素導致，如測量值與真實值之間的的統(tǒng)計誤差，儀器誤差與主觀原因?qū)е碌南到y(tǒng)誤差;其次是15min后焊點中的釬料Sn基本被消耗完成，微焊點中只存在Cu6Sn5與銅韌帶/銅基板生成Cu3Sn的固態(tài)轉(zhuǎn)變。理論上化合物Cu6Sn5與Cu韌帶發(fā)生反應時，IMC層厚度應是不斷增加。但在熱壓機的高溫高壓下，銅韌帶之間發(fā)生變形且彌散在韌帶中的孔洞等缺陷逐漸被壓扁，IMC在固態(tài)反應中體積增加部分小于熱壓機壓力下縮小部分，使得復合微焊點 被壓薄。綜上，實驗結(jié)果得到圖5所示現(xiàn)象。在熱壓焊工藝下，復合微焊點釬料被完全消耗后隨焊接時間增加，IMC總體厚度略有下降。

2.3 不同CU/SN比對焊點中CU3SN生長速度的影響

觀察圖2中IMC-Cu復合微焊點在焊接過程中的微觀形貌可知，反應界面中IMC層生長平整，且IMC層中有明顯的兩層化合物，靠近銅韌帶/銅基板一側(cè)的化合物層為Cu3Sn層，被Cu3Sn層包圍的化合物為Cu6Sn5。發(fā)現(xiàn)焊點中Cu韌帶間距不同的區(qū)域，Cu3Sn層厚度所占IMC層的比例不同。 Cu韌帶之間的的間距增大，間距中 Sn的含量增加，Cu6Sn5的厚度越大，Cu3Sn層厚度占IMC的比例越低，說明復合焊片中的Cu/Sn比例對界面化合物的生長厚度有顯著的影響。

在Cu韌帶密集區(qū)域，Cu韌帶之間全Cu3Sn化合物生成較早，這是因為在相同體積下，Cu韌帶越密集的區(qū)域Cu韌帶的數(shù)量越多，使Cu韌帶與液態(tài)Sn的反應面積增加，加快了IMC層厚度增加量，與提高反應速度產(chǎn)生相同的效果。隨著焊接時間的增加Sn釬被料逐漸消耗， IMC中Sn的含量越來越少，焊點中Cu韌帶的量相對充足，有大量的Cu元素擴散到反應界面處，所以Sn的含量越少的反應界面處Cu與Sn有較大的濃度比，從而使Cu3Sn在反應界面處更容易生成。所以高溫停留的時間相同時，Cu韌帶越密集的區(qū)域生成Cu3Sn的速度越快，進而推出Sn含量越少的界面生成Cu3Sn的速度越快。

為了研究不同Cu/Sn比對復合微焊點中Cu3Sn與Cu6Sn5生長變化的影響，分別對不同Sn含量的復合微焊點進行厚度提取，繪制成Cu3Sn與Cu6Sn5厚度隨焊接時間的變化的折線圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，3組不同Cu/Sn比的焊點中，Cu3Sn的生長速度隨焊接時間的增加而減緩的趨勢。究其原因，焊接初期，反應界面處Cu與Sn的濃度差大，有利于IMC生成，Cu原子通過兩個Cu6Sn5扇貝間的通道擴散，擴散至反應界面處與熔化的Sn原子直接反應為Cu3Sn，同時有部分Cu6Sn5轉(zhuǎn)化為Cu3Sn，此過程持續(xù)至焊點中的Sn被完全反應。在焊點中的釬料Sn被完全反應后，Cu3Sn的生成速度大幅降低，這是因為此時焊點中只存在Cu6Sn5與Cu原子發(fā)生的固態(tài)反應來生成Cu3Sn。并且隨著Cu3Sn層越來越厚，Cu3Sn層會阻礙Cu原子擴散，使Cu在Cu3Sn層中擴散時間增加，Cu抵達與Cu6Sn5接觸的反應界面時間變長，故Cu3Sn的生長速度越來越慢。

Sn的質(zhì)量分數(shù)為20%的焊點，在焊接時間為5～10min內(nèi)Cu3Sn生長最快，是因為焊點中的Sn還未被完全消耗，Cu原子可以與液態(tài)Sn直接反應生成Cu3Sn。之后生長速度逐漸降低，是因為隨著焊接的繼續(xù)，化合物層不斷增厚，Cu6Sn5扇貝之間的通道消失，Cu原子在快速擴散通道消失后，僅通過在化合物層中擴散，Cu3Sn的生長速度降低，直至釬料層中的Sn逐漸被完全消耗。此時新的Cu3Sn只能由Cu6Sn5與Cu原子發(fā)生固態(tài)擴散反應來產(chǎn)生，所以Cu3Sn的生長速度大幅降低。最后Cu6Sn5 轉(zhuǎn)化為Cu3Sn。對于Sn的質(zhì)量分數(shù)為40%的焊點，Cu3Sn的生長規(guī)律與反應機理與質(zhì)量分數(shù)為20%時相同， 但Cu3Sn生長速度在20min左右才明顯放緩，原因是本組復合微焊點中Sn釬料含量多，在此時間段釬料Sn被完全消耗。

由微焊點的組織演變（圖2）與各化合物厚度變化（圖6）可得，不同Cu/Sn比的微焊點中， Cu3Sn的生長速度隨焊接時間的增加均逐漸降低，而焊點中的Sn含量越小，Cu3Sn生長速度越快。首先因為在焊接初期，相同體積下，Sn含量越小的接頭中Cu韌帶越密集，Cu韌帶的數(shù)量越多， Cu/Sn的反應面積增加，提高反應速度。其次， Sn釬料完全反應后， 在Sn含量少的接頭中，Cu原子穿越化合物中擴散距離短，能更快的參加反應。綜上所述，IMC-Cu復合微焊點中Sn含量越小，Cu3Sn的生長速度越快。

3 結(jié) 論

1）本文采用瞬態(tài)液相連接技術(shù)與壓力相結(jié)合的方法，制備了IMC-Cu復合微焊點，該復合微焊點利用泡沫銅結(jié)構(gòu)高比表面積的特點，在w（Sn）為20%、30%、40%時，快速生成全Cu3Sn-Cu焊接接頭。

2）IMC-Cu復合微焊點中Sn含量越小，反應過程中界面處越有利于Cu3Sn的生長，且相同條件下最終生成全Cu3Sn焊接接頭的時間越短， Sn的質(zhì)量分數(shù)為 20%的復合微焊點最先生成全Cu3Sn接頭。

3）隨著復合微焊點中Sn含量的降低，焊接過程中 IMC層的生長速率呈現(xiàn)增大趨勢。原因是Sn含量低的焊點在相同體積下有更多的Cu韌帶數(shù)量，反應面積更大，且Cu韌帶之間的距離越小，Cu原子擴散到反應界面處的距離縮短，促進了IMC的生長。

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（編輯：王 萍）

收稿日期： 2020-12-14

基金項目： 國家自然科學基金（51174069）.

作者簡介：

孫鳳蓮（1957—），女，博士，教授，博士研究生導師;

潘 振（1990—），男，博士研究生.

通信作者：

李文鵬（1995—），男，碩士研究生，E-mail：905523568@qq.com.

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