In-Ag复合钎料焊点组织形态与可靠性研究

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In基钎料作为一种低熔点钎料能与Ag在低温下反应形成耐高温的金属间化合物(IMC)以完成对基板材料的互连,基于瞬态液相(Transient Liquid Phase,TLP)连接技术制备的In-Ag复合钎料焊点能够实现低温键合,高温服役的目标,这对解决封装焊点的高温服役问题意义重大。本文利用微纳米级的In、Ag颗粒制备了不同Ag含量的In-xAg复合钎料焊点,优化了键合工艺,探究了三种增强颗粒(稀土 Ce、Ni-CNTs和Cu)对In-50Ag复合钎料焊点的影响,分析了增强颗粒对焊点的强化机理。研究了不同Ag含量(20-70 wt.%)下Cu/In-xAg/Cu复合钎料焊点显微组织和力学性能变化,结果显示:当Ag含量为20 wt.%时,界面反应区中形成一层平坦致密的Cu2In相,其厚度随着Ag含量的增加逐渐从3.71μm减小至0.57μm左右。原位反应区中首先生成AgIn2和富In相,随着Ag含量的增加,富In相含量减少,AgIn2相逐渐转变为Ag2In相,当Ag含量为50 wt.%时,AgIn2相全部转化为Ag2In相,焊点中孔洞、裂纹等区域面积最小,孔洞率达到最小值3.05%,剪切强度达到最大值7.04 MPa左右,Ag的最优添加含量为50 wt.%。研究了键合工艺(时间、压力和温度)对Cu/In-50Ag/Cu复合钎料焊点IMC演变和力学性能的影响,结果显示:优化后的工艺为键合时间30min、键合压力3 MPa、键合温度260℃。随着键合时间的延长(0.5-120min),焊点界面IMC从颗粒状的Cu11In9相逐渐转变为层状的Cu2In相,至30min时全部转化为Cu2In相,颗粒状的Ag2In相含量增多,其尺寸逐渐长大最终连成片状,此时焊点剪切强度达到最大值8.76 MPa。随着键合压力的增大(0.5-5.0 MPa),焊点界面IMC从Cu11In9相逐渐转变为Cu2In相,其厚度逐渐减小,原位IMCAg2In相含量增多,Ag颗粒和富In相含量减少,孔洞等缺陷在适当压力的作用下逐渐变少,加压至3.0 MPa时焊点组织最为致密,其抗剪切性能最好,剪切强度达到10.18 MPa。随着键合温度的上升(170-300℃),焊点界面IMC的厚度大幅增加,其组织从Cu11In9相转变为Cu2In相,至260℃时转化为全Cu2In相。焊点原位反应区中岛状的AgIn2相随温度的变化转变为Ag2In相,至260℃时全部相变为Ag2In相,此时焊点中孔洞裂纹等缺陷最少,剪切强度达到最大值 12.24 MPa。分别研究了三种增强颗粒(稀土 Ce、Ni-CNTs和Cu)对Cu/In-50Ag/Cu焊点IMC生长行为及力学性能的影响,结果表明:微量(0.3 wt.%-0.6 wt.%)稀土 Ce颗粒的添加不仅能抑制焊点界面IMC Cu2In相的生长,降低其厚度,还能细化原位IMC Ag2In相的组织,Ce含量为0.6 wt.%时组织最为细化,剪切强度达到峰值17.58 MPa,相比于不添加Ce时的剪切强度提高了 43.6%。增强颗粒Cu的加入降低了焊点中In的浓度,在原位反应区形成了新相Cu2In,明显抑制了界面IMC Cu2In相的生长使其厚度急剧降低,但对于原位IMC Ag2In相的组织未产生明显细化作用。Cu含量为1.0 wt.%时剪切强度达到最大值15.53 MPa,比不添加Cu颗粒时提高约26.9%。增强相Ni-CNTs通过降低In浓度和钉扎效应使界面IMC层厚度降低,同时使原位反应区IMC Ag2In相组织发生明显细化,从成片的块状组织转变为细长的板条状组织,0.09 wt.%Ni-CNTs的焊点组织细化效果最好,焊点剪切强度达到最大值19.28 MPa,比不添加Ni-CNTs 时提高约 57.5%。不同增强颗粒对焊点力学性能的差异影响得益于不同的强化机理。稀土 Ce颗粒对焊点的强化机理主要为细晶强化,起到异质形核的作用,细化焊点组织,显著提高力学性能;金属Cu颗粒的强化机理主要为界面IMC强化,形成的薄且致密连续的界面IMC能紧密地连接基板材料,增强焊点的力学性能;Ni-CNTs的增强机理主要为细晶强化、钉扎效应和桥联效应,纳米尺寸的Ni-CNTs不但能够细化组织,而且可以钉扎焊点中的位错以及与钎料基体形成良好的键合,阻碍裂纹扩展,极大地提高了焊点的力学性能。
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