SiC 纳米线有效抑制电子封装中钎料焊点界面IMC 层的生长

随着电子器件向微型化和高集成化方向发展，如何增强芯片和PCB 板间结合界面的性能是亟待解决的问题。在电子器件服役期间，钎料焊点可以在元器件间实现机械连接、电互连和热互连。因此，高性能钎料的研制是电子封装领域的热点问题。

江苏师范大学张亮教授团队通过在Sn 钎料中添加纳米线提高了焊点的力学性能，抑制了界面金属间化合物（IMC）层的过度生长，更好地适应电子封装高可靠性发展的应用要求。碳化硅纳米线（SiC NWs）具有优异的力学性能、导电性、耐热性、抗氧化性等，可作为陶瓷基、金属基、树脂基的增强材料，在电子器件领域应用广泛。

焊点的机械性能通常取决于钎料与基板间的结合强度，表明界面IMC 的生长行为对于焊点的可靠性非常重要。当焊点在恶劣的环境中服役时，焊点的可靠性会受到影响。

团队选用SiC NWs 作增强相来制备纳米复合材料，通过机械搅拌的方式将SiCNWs 与纯Sn 钎料充分混合，从润湿性、界面组织、剪切性能等方面分析了复合钎料的性能，评估了时效、热循环条件下Sn/Cu 和Sn-0.6SiC/Cu 两种钎料焊点的微观组织演化规律与可靠性。

在时效和热循环条件下，观察钎料焊点界面组织的生长行为，发现在时效50 h 或热循环300 次后，Sn/Cu 和Sn-0.6SiC/Cu 焊点的IMC 层均出现Cu6Sn5和Cu3Sn IMC 的双层结构。随着时效时间的延长或热循环次数的增加，两种钎料焊点界面IMC 均逐渐变厚，但在相同服役时间下，含有SiC NWs 复合钎料焊点的IMC 更薄。SiC NWs 的加入降低了界面IMC 的互扩散系数，说明了纳米线的加入阻碍了IMC 的生长。此外，在相同条件下，含SiC NWs 的复合钎料焊点界面处的裂纹比未添加增强相的钎料焊点少，表明添加SiC NWs 可以提高焊点的可靠性。

在时效条件下，对钎料焊点界面IMC 顶部形貌进行观察，发现添加SiC NWs 后，在相同时效时间下，含SiC NWs 的复合钎料焊点界面Cu6Sn5晶粒的尺寸明显小于Sn/Cu 焊点，说明SiC NWs 的添加阻碍了晶粒的生长。时效250 h 后，Sn/Cu 焊点中的晶粒出现明显大裂纹，而Sn-0.6SiC/Cu 焊点中晶粒没有出现明显裂纹，说明SiC NWs 的添加提高了焊点的可靠性。

根据生长动力学，IMC 的形成和生长主要由基板和熔融钎料界面扩散反应控制。随着服役时间的延长，界面Sn 和Cu 元素扩散，不断反应形成Cu6Sn5和Cu3Sn 层，因此IMC 层逐渐增厚。团队将增强相SiC NWs 对界面IMC 层生长的抑制机理归因于吸附理论和钉扎效应，图（a）展示了在钎焊过程中复合钎料焊点中IMC 晶粒的顶部形貌，图（b）和（c）为相关的元素分析，表明SiC NWs 聚集在Cu6Sn5IMC 以及晶界上，揭示了SiC NWs 对钎料焊点IMC 生长的影响机理。一方面，SiC NWs 吸附在Cu6Sn5IMC 晶粒表面，降低了晶粒表面自由能，从而抑制了界面IMC 的生长；另一方面，SiC NWs 钉扎在晶界处，阻碍了晶界的滑移，从而抑制了IMC 晶粒的生长。因此，SiC NWs 的添加有效抑制了界面IMC 层的生长。

IMC 晶粒顶部形貌及EDS 分析

目前，该团队采用瞬时液相键合技术拟制备Cu/Sn-SiC/Cu 三维焊点，形成全IMC 的“钢筋混凝土”结构焊点，即在IMC 焊点内部均匀分布SiC NWs，研究瞬时液相键合工艺参数对焊点组织的影响，分析不同键合温度、键合时间、压力下焊点的组织演化规律与生长动力学，以期通过添加SiC NWs 来提高三维封装系统的可靠性。（张亮）

原始文献：

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.