先进封装Cu-Sn互连焊点界面金属间化合物研究进展

对先进封装中Cu-Sn焊点之间的界面金属间化合物(IMC)形成机理与生长控制进行阐述,分别从Cu-Sn焊点界面之间增加阻挡层与锡焊点内部掺杂合金元素两个方面介绍了Cu-Sn焊点之间良性IMC层的形成与生长控制机理。重点介绍了尺寸效应、热迁移和电迁移三种因素促进焊点界面恶性IMC层的形成原理,分析了恶性IMC层对焊点可靠性的影响与失效模式。对国内外控制良性IMC层的形成与生长的研究和抑制恶性IMC层的形成与生长的研究进行了评述,总结了近年来IMC层生长过程对先进封装Cu-Sn焊点可靠性影响的研究进展。最后,从焊点可靠性角度对良性IMC层的控制方法进行了分析总结,并从改良和创新两个方面对该领域未来的发展方向进行了展望。

高银系Sn-Ag-Cu/Cu界面金属间化合物生长行为

【目的】为研究高银系(Ag质量分数大于3.0%)Sn-Ag-Cu在固相时效过程中的界面反应和生长动力学。【方法】高温条件下不同银含量对界面结构和界面生长的影响,为了确定焊点的长期可靠性,在150℃下进行了0 h,100 h,300 h,500 h的热加速老化试验。用SEM与EDS进行了IMC表面形貌、厚度和元素组成。【结果】研究结果表明,随着银含量的增加,Cu_(6)Sn_(5)的生长受到不同程度抑制。在等温时效过程中,金属间化合物(IMC,Cu_(6)Sn_(5)+Cu_(3)Sn)的生长动力学是一个扩散控制过程,Cu_(6)Sn_(5)逐渐生长为Cu_(3)Sn;在后期的老化阶段,扇贝状的形状消失,表明生长机制发生了变化,变化为向垂直于界面方向的稳定生长;通过有限元技术,得出在服役过程中,热应力主要集中于Cu_(3)Sn与Cu基板交界处;随着时效时间的增加,焊点等效蠕变应变上升,可靠性逐渐降低;利用阿仑尼乌斯公式计算了金属间化合物IMC(Cu_(6)Sn_(5)+Cu_(3)Sn)在界面Sn-3.0Ag-0.7Cu/Cu,Sn-3.4Ag-0.7Cu/Cu,Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu的表观活化能分别为67.13 kJ/mol,70.50 kJ/mol,69.54 kJ/mol。【结论】根据试验与数值模拟计算相结合的研究手段,得到Sn-3.4Ag-0.7Cu款无铅焊料在高温服役过程中比其他焊料更能满足电子元件的要求。

大电流密度过渡金属硫族化合物析氢催化剂界面工程展望

氢能是未来可持续社会中理想的能量载体,利用可再生能源电解水制取绿氢的技术受到研究人员的广泛关注.电解水制绿氢技术由实验室向工业应用跨越的前提是发展大电流密度下性能优异且稳定的电催化剂.析氢反应(HER)是一种非均相反应,涉及催化剂-基底、催化剂-电解液、催化剂-气体三个界面.界面性质会影响电化学传质行为、电荷传输行为和催化剂的力学性质,从而影响大电流密度下制氢性能.因此,优化界面结构和性质是提升大电流密度下电解水催化剂性能并解决电解水技术工业应用挑战的关键.二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)具有电子结构可调、活性位点丰富、合成方法多样等优势,自1976年首次应用于光电催化水分解反应、加氢脱硫反应以来,已有大量工作报道了TMDCs催化剂应用于HER.本文以TMDCs催化剂为例研究界面工程对大电流密度下HER的提升作用及机制.探讨了电化学反应中上述三个界面上发生的物理化学过程,系统分析了大电流密度下质量传输、电荷传输速率受限和力学强度不足三方面挑战,并总结了适用于大电流密度的催化剂性能描述符.分别归纳了针对以上三个界面的界面工程策略及相应作用,简要概括为:(1)催化剂-基底界面结合力增强、界面电阻降低、界面电子结构调控等策略;(2)催化剂-电解液界面形貌调控、表面化学、电解液环境调控等策略;(3)催化剂-气体界面疏气性调控、外场作用等策略.从反应机理研究、膜电极界面设计及电解槽界面性质调控三个角度对电解水反应界面工程未来的发展与应用提出了建议及展望.在反应机理方面,大电流条件下的界面性质如界面电阻、传质行为等仍需更深入的认识.在膜电极中,催化剂、离子交换膜、离子型聚合物、气体扩散层所形成的多元界面,尤其是催化剂-膜界面、催化剂-气体扩散层界面的结构仍需进一步优化以提升膜电极的活性及稳定性.在电解槽界面性质调控方面,催化剂-基底界面结合力等参数与催化剂寿命间的关系,电解过程中界面处的温度场及流场分布,适配于实际生产系统的电流密度等仍需深入研究.综上,本文从基本物理化学过程、策略及作用、挑战与展望等多个方面介绍了界面工程.本文有助于研究人员理解非均相电化学反应过程中界面的重要作用,提出催化剂、膜电极、电解槽界面设计新策略,并开发新型表征方法以深入对界面性质的认识,推动高效电解水技术的开发及应用.

Au-Al键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究

引线键合工艺是半导体封装过程中十分重要的一道工序,键合质量的提高基于键合可靠性的提升,而键合界面对键合的可靠性,乃至对电子元器件的服役性能和使用寿命都有着极大的影响。但是,在键合完成初期,由于会形成少量的金属间化合物(IMC)。而且,随着时间的增加和温度的升高,金属间化合物会增加。金属间化合物过多时易导致键合强度降低、变脆,以及接触电阻变大等问题,应该看到,脆性的金属间化合物会使键合点在受周期性应力作用时引发疲劳破坏,最终可导致器件开路或器件的电性能退化。其中,金属间化合物的形成和可肯达尔(Kirkendall)空洞是金铝(Au-Al)键合失效的主要失效机理。本文结合充分的实验测试数据及相关文献,综述键合界面上金属间化合物的形成以及演变机理,并且从不同种类的金线、芯片焊盘的铝层厚度、不同焊线的模式、不同类型的封装树脂,四个方面探讨键合界面金属间化合物对可靠性的影响。

Fe-Al金属间化合物的第一性原理研究综述

Fe-Al金属间化合物具有密度低、比强度高、抗高温氧化和耐腐蚀性良好等优点,且成本低廉,成为镍基高温合金潜在的替代结构材料。综述了利用第一性原理计算研究元素掺杂/微合金化对Fe-Al金属间化合物及涂层的室温脆性、高温强度、界面结合、抗高温氧化及耐腐蚀性能影响的研究进展,设计了第一性原理研究B2型Fe-Al合金耐氯化盐腐蚀机理的理论计算方案,展望了第一性原理计算应用于Fe-Al合金及涂层材料研究的发展方向。

Ni-Sn-Ni焊点界面金属间化合物的微观形貌演变研究

【目的】研究Ni-Sn-Ni微焊点在固液反应条件下界面金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMCs)的生长及形貌变化。【方法】采用精密夹具调控的Ni-Sn(20μm)-Ni作为样品,通过SEM观察等温条件下Ni-Sn-Ni不同时间点横截面的微观组织结构,并通过EDX对界面处生成的IMCs进行分析。【结果】在Ni-Sn反应的界面处仅生成一种单相IMCs,为Ni_3Sn_4,该界面IMCs的生长速度由快变慢最后趋于平缓。此外,界面IMCs的形貌随时间由针状转变为棒状后再转变为块状。【结论】在Ni-Sn固液反应中,界面IMCs的生长速度及形貌随键合时间的增加发生显著变化。

键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究现状

在微电子封装过程中,键合丝被广泛应用,而键合可靠性对于产品的应用性能有着极大的影响,受到人们的广泛关注。键合丝与常用的铝焊盘之间是异质材料,在应用和服役的过程中会在界面上产生金属间化合物(IMC),对器件可靠性产生影响,同时,键合强度也与键合丝和焊盘之间的界面反应联系密切,因此了解键合丝与铝焊盘之间金属间化合物的形成与演变对键合可靠性的影响是有必要的。本文综述了Au/Al、Ag/Al和Cu/Al三种键合界面上金属间化合物的形成与演变的研究现状,并根据目前的应用状况,展望了未来的应用发展前景。

全氟及多氟烷基化合物在土壤-地下水系统多介质界面行为研究进展

近年来,全氟和多氟烷基化合物(PFASs)在全球范围内受到广泛关注,其在多种环境介质中均有不同程度检出。其中,土壤既是PFASs污染的重要受体,也会在吸附-解吸、淋溶等作用影响下成为释放PFASs的污染源,从而对受纳水体造成持续污染,尤其是对土壤下覆地下水系统的影响持久而深远。因此,理解PFASs在土壤-地下水系统中的迁移转化过程是预测其环境归趋和风险控制的重要任务。文中总结了近年来国内外的相关研究,对土壤-地下水系统中PFASs的污染来源和界面行为进行了综述,并对现存问题和未来需求进行了展望,以期为PFASs在土壤-地下水系统的监测与控制提供参考和支撑。

Cu/Sn/Ni焊点界面金属间化合物的生长及演变

【目的】研究Cu/Sn/Ni焊点在265℃下键合过程中界面金属间化合物的生长趋势及形貌演变。【方法】使用扫描电镜对焊点进行观察和分析。【结果】随着键合时间的增加,界面金属间化合物总厚度不断增加。在Cu-Ni的交互作用下,界面金属间化合物在Cu/Sn和Ni/Sn两侧表现出不同的界面形貌演变和生长速度。在等温回流的四个时间节点中,Cu/Sn侧的金属间化合物生长速率呈先快后慢的趋势,而Ni/Sn侧则为先慢后快。此外,在Cu/Sn/Ni焊点等温回流的四个时间节点中,Cu/Sn侧和Ni/Sn侧金属间化合物的微观形貌存在明显差异。【结论】本研究为深入理解焊点界面金属间化合物的生长规律提供了有价值的参考。

Fe-Al金属间化合物基叠层复合材料的界面表征及生长动力学研究

将SUS441不锈钢薄板和1060纯铝薄板交替叠放后,经“轧制复合—合金化退火”工艺制得Fe-Al金属间化合物基叠层(Fe-Al metal-intermetallic-laminate,Fe-Al MIL)复合材料。采用光学显微镜(optical microscope,OM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)等设备测试了不同热处理制度下Fe-Al MIL复合材料的界面微观组织形貌、物相组成及化合物生长行为。结果表明:在640℃退火时,均匀层的主要物相为Fe_(2)Al_(5),且有原子分数为5%~6%的Cr固溶于该均匀层;在高于640℃退火时,除由Fe_(2)Al_(5)相组成的均匀层之外,化合物层还出现了明显的由Fe_(4)Al_(13)相和Cr_(2)Al_(13)相组成的两相层,且两相层交界处有Al_(5.50)Cr_(1.95)Fe_(2.55)相析出;金属间化合物的厚度随退火温度的升高及时间的延长而增加,Fe_(2)Al_(5)相的生长规律满足抛物线法则,其生长激活能为192.28 kJ/mol。

Ni和Bi元素对SnAgCu钎焊界面金属化合物生长速率的影响

通过加速温度时效方法研究Ni和Bi元素对低银(含银量小于1%,质量分数)Sn-Ag-Cu(LASAC)钎料界面IMC生长速率的影响。通过与高银钎料SAC305和低银钎料LASAC对比,分析添加Ni和Bi元素后LASAC钎料在高温时效过程中热疲劳抗性的变化情况。结果表明:LASAC/Cu、LASAC-Bi/Cu和SAC305/Cu界面IMC时效后均形成较厚的Cu3Sn层,LASAC-Ni/Cu界面经IMC时效后则形成较薄的(Cu,Ni)3Sn;高银钎料SAC305在180℃时效下IMC生长速率为2.17×10-5μm2/s,与之相比,低Ag钎料LASAC IMC在时效过程中生长速率较高,为3.8×10-5μm2/s;Ni和Bi元素的添加均可降低钎料LASAC/Cu界面IMC的生长速率,其中Bi的改善效果最显著,LASAC-Bi钎料的IMC生长速率为1.92×10-5μm2/s,低于SAC305钎料的IMC生长速率。

金属间化合物对SnAgCu/Cu界面破坏行为的影响

无铅焊接与封装是对新一代电子产品的基本要求,SnAgCu系合金是最有可能替代SnPb焊料的无铅焊料。SnAgCu-Cu界面金属间化合物(intermetalliccomponents,IMC)的形成与生长对电子产品的性能和可靠性有重要影响。文中讨论SnAgCu-Cu界面IMC的形貌及组织演变,介绍SnAgCu-Cu界面IMC的形成、生长机理和表征方法,分析IMC对SnAgCu-Cu界面破坏行为的影响。

金属间化合物FeAl与α－Al_2O_3的界面润湿行为及合金元素Y和Nb的作用

本文用座滴法系统研究了稀土元素Ｙ和Ｎｂ对金属间化合物Ｆｅ－４０ＡＬ与α－Ａｌ２Ｏ３，体系的润湿行为以及界面交互作用的影响。结果表明，Ｆｅ－４０ＡＬ与α－Ａｌ２Ｏ３体系是润湿的。合金元素Ｙ的适量加入可使该体系的润湿角下降约１０°，此外，Ｙ和Ｎｂ的加入都对该体系的界面交互作用有明显影响。

SnAgCu焊点界面金属间化合物的研究现状

SnAgCu系合金钎料是目前最有可能替代SnPb钎料的无铅钎料之一。其在回流焊过程中产生的界面金属间化合物是影响电子产品可靠性的重要因素。综述了SnAgCu钎料在Cu,Ni/Cu,Au/Ni/Cu衬底上回流焊后界面金属间化合物(IMC)的类型和产生过程,并对时效、热冲击、热循环过程中界面金属间化合物的形貌演变以及生长规律进行了评述。

固-液金属界面上金属间化合物的非平衡生长

The growth characteristic of intermetallics during the reaction of solid (Cu,Ag,Au,Fe,Co,Ni,etc) with liquid (Sn,Sb,Bi,Zn) within a very short time of 1～ 2 s at different temperatures has been studied by metallographic method for explaining the process in the fillet during soldering. It is indicated that the incongruent compourds often grow up as bamboo shoot form. But congruent compounds grow up basically just by spreading out as a layer along the solid border. Base on these facts,the influence of intermetallics in the fillet during soldering has been discussed.

钛/不锈钢焊接界面金属间化合物的生成动力学

对TA2/316L焊接接头分别进行350～900℃、保温30～120 min的真空热处理,利用SEM、EDX及热力学、动力学等分析手段研究了热处理后界面反应物的生长过程及规律。结果表明,界面反应物呈层状出现,且随着热处理温度的升高,层状反应物由一层变为多层。动力学计算显示,在900℃以下对TA2/316L接头进行热处理,其界面金属间化合物呈线性增长,界面总金属间化合物生长动力学方程可表示为W=1.15×106exp(-50.93kJ.mol-1/(RT)1t2。

多场耦合条件下SnAgCu/Cu界面化合物生长行为

基于自制的多场耦合热循环装置,研究了Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu钎焊接头热循环过程中界面金属间化合物（IMC）微观组织变化和断裂行为.结果表明,在多场耦合及30～150℃热疲劳循环下,随着循环周期的增加,界面IMC厚度越来越厚,且在较短循环时间内IMC的形貌由扇贝状转变为层状,400周期后界面化合物的厚度增长变缓;当循环周期达到600时,界面上空洞聚集长大,产生界面开裂,进而导致疲劳失效.同时随着循环周期增加,接头的抗剪强度也逐渐下降,也有脆性断裂的趋势.

热-剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu(Ni)界面化合物生长行为研究

对热-剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu钎料在Cu和Ni界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究。结果表明:再流焊后,在Sn-3.5Ag-0.5Cu/Ni界面上形成(CuxNi1-x)6Sn5化合物;热-剪切循环200周次后,(NixCu1-x)Sn3化合物在(CuxNi1-x)6Sn5化合物周围以片状快速长大;而Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面从钎焊到热-剪切循环720周次始终只存在Cu6Sn5金属化合物层。随着热-剪切循环周数的增加,(CuxNi1-x)6Sn5和Cu6Sn5化合物形态均从笋状向平面状生长。界面金属间化合物的厚度随循环周数的增加而增加,且生长基本遵循抛物线规律,说明Cu原子的扩散控制了(CuxNi1-x)6Sn5和Cu6Sn5化合物的生长。

热时效过程中微米级SnAgCu焊点的界面金属间化合物形成及演变

研究微米级倒装组装焊点在150℃热时效过程中界面金属间化合物(intermetalic compound,IMC)的形成及演化.结果表明,在热时效300 h后,受铜焊盘界面扩散过来的Cu原子影响,镍焊盘界面(Ni,Cu)3Sn4全部转化成(Cu,Ni)6Sn5;在铜焊盘界面,热时效至100 h后,形成一层薄的Cu3Sn,在随后的热时效过程中,由于Ni原子对Cu3Sn生长的抑制作用,Cu3Sn几乎没有生长.此外在时效100 h内,两侧界面(Cu,Ni)6Sn5生长速率增加较快,但随着时效时间的增加逐渐减慢.两侧界面(Cu,Ni)6Sn5顶端形貌随着时效时间的增加逐渐变平.

钢-铝轧制复合界面化合物的抑制机理

采用扫描电镜和金相显微镜研究钢-铝轧制复合界面化合物的合金化抑制机理。结果表明:通过在铝中加入合金元素硅,界面化合物的生成受到明显的抑制,特别是当硅含量达到6.0%(质量分数)时,抑制作用更强,即使在560℃加热时,界面层的厚度也仅为2～3μm,且主要是Fe_2Al_5;由于Fe和Al扩散均匀,界面化合物在界面处呈等宽连续分布。通过热力学原理阐述界面化合物的生成规律。