Sn

Sn-Ag复合粉末低温过渡液相连接Cu/Ag异基金属

邵华凯1, 吴爱萍1,2,3, 包育典1

(1. 清华大学 机械工程系，北京 100084； 2. 清华大学 摩擦学国家重点实验室，北京 100084；3. 先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084)

摘 要： 基于锡-银复合粉末低温过渡液相连接，研究了银含量对接头组织及其力学性能的影响. 结果表明，接头组织由界面扩散反应区和粉末原位反应区组成. 随着银含量的增加，原位反应区Ag3Sn数量增多而晶粒尺寸减小，且扩散反应区IMC层厚度减小；当银含量(质量分数，下同)超过70%时，接头中残留大量银颗粒，并伴随孔洞的产生. 接头力学性能随银含量变化呈先升高后降低的趋势，55%时达到最优，抗剪强度超过35 MPa，显微硬度为70 HV左右. 银含量较低(≤55%)时接头主要断裂在原位反应区，较高时(≥70%)则断裂在原位反应区与扩散反应区的界面处.

关键词： Sn-Ag复合粉；TLP连接；金属间化合物；力学性能；断口分析

0 序 言

随着能源、汽车、航空航天、油气钻探等工业领域的发展，工业界对高温电子器件的需求量在不断增加. 与此同时，第三代半导体(宽禁带半导体，如SiC和GaN)具有禁带宽度大、功率消耗低、热导率高等特点，能够承受更高的工作温度(>400 ℃)[1-3]. 这种高温应用的趋势给微电子技术带来巨大挑战，传统的软钎焊方法已经无法满足先进电子系统的制造要求. 低温过渡液相(transient liquid phase， TLP)连接技术因具有低温连接、高温使用的特点，被业界认为是极具应用潜力的高温封装方法. 它通过高熔点的金属(如铜、银)与低熔点材料(如锡)之间发生扩散反应，形成金属间化合物(intermetallic compounds， IMCs)连接层来实现芯片与陶瓷基板的互连，因此接头具有较好的抗高温性能[4].

低温TLP连接是一个扩散驱动的反应过程，先形成的化合物层对基板元素扩散具有阻挡效应，故完成等温凝固阶段所需的时间往往较长(>60 min)[5]，这在工业应用中是不可取的. Ji等人[6]采用超声辅助的方法，通过声空化效应引起的空蚀作用加快基板元素的溶解，进而加速IMCs的生长过程，然而超声作用对器件的影响以及如何优化加工结构还有待研究. Liu 等人[7]在微米铜粉表面化学镀锡而制备出焊料，利用这种包覆层结构也能显著缩短工艺时间，但是存在镀锡层厚度不可控、接头中残留孔洞、连接压力较大等局限性.

近几年，采用锡-铜、锡-银混合粉末低温TLP烧结来实现高温器件的封装已成为研究热点. 这种方法不仅所需工艺时间较短[8]，而且其接头导热导电性能更高，甚至不需在芯片表面沉积金属就能实现互连[9]. 学术界在接头热可靠性能方面展开了大量研究，比如高温时效、热循环试验等等，但是对粉末配比优化、烧结过程、接头断裂机制等方面的研究则相对较少. 因此，文中选择铜和银作为基板材料，设计了不同配比的锡-银复合粉，从而展开了接头组织和力学性能方面的研究.

1 试验方法

设计粉末配比并制备出不同类型的焊料. 以锡和银恰好转变为Ag3Sn来进行理论计算,即

===2.73

(1)

式中：mAg和mSn分别表示银粉和锡粉的质量；MAg和MSn分别表示银和锡的摩尔质量. 通过计算，锡银的质量比为27∶73. 因此，以73%(质量分数，下同)作为基准，分别制备了银含量为20%，35%，55%，70%和85%等五种焊料(编号依次为S20A，S35A等). 制备过程中，并按相应的质量比称量粒径小于3 μm的锡粉(99.9%)和粒径为2～3 μm的银粉(99.9%)并混合，添加少量还原粉后加入丙酮稀释，在磁搅拌作用下保持2 h从而促使银、锡粉末混合均匀.

在尺寸为φ10 mm×5.5 mm的纯铜柱表面电镀20～35 μm厚银层作为下基板，酸洗后，在待连接表面涂覆一定厚度的焊料层. 将尺寸为φ6 mm×5.5 mm的纯铜柱端面抛光作为上基板，并与上基板装配成三明治结构. 连接试验在真空条件进行，连接压力为0.1 MPa，待真空度小于2×10-3 Pa后开始加热，加热方式为电阻辐射加热，在300 ℃保温30 min结束并随炉冷却.

将连接试样镶样后，依次通过400，600，1000，1500和2000号碳化硅砂纸预磨，并抛光制成金相试样. 采用光学显微镜和扫描电镜(scanning electron microscope， SEM)观察接头组织形貌. 为了测试接头力学性能，采用FM-800显微硬度计测试显微硬度，其中加载力为10～50 g、加载时间为10 s；并通过热模拟试验机Gleeble 1500D对试样进行剪切测试，剪切速率为2 mm/min，取三个试样平均值作为测量强度.

2 试验结果与讨论

2.1 接头组织

图1显示的是采用不同焊料连接时对应接头的组织形貌. 液相锡分别与基板扩散的铜、银元素发生反应而形成IMC层，也与焊料中的银颗粒反应形成Ag3Sn. 根据反应过程的不同，将接头分为：银基板界面扩散反应区I、粉末原位反应区II、铜基板界面扩散反应区III. 总体而言，随着复合粉银含量的增加，扩散反应区IMC层厚度逐渐变薄，而原位反应区Ag3Sn晶粒数量增多且尺寸减小. 接头中会产生孔洞，主要分布于原位反应区，当银含量达到70%时孔洞缺陷显著增多.

S20A焊料连接时(图1a)，接头中仍然残留大量锡，组织较为致密；界面扩散反应区I和III相对较厚，即对应于扇贝状Ag3Sn和Cu6Sn5层；原位反应区II中含有少量的Ag3Sn晶粒，呈岛状弥散分布于锡“基体”中. S35A焊料连接时(图1b)，扩散反应区Ag3Sn层和Cu6Sn5层相对较薄；原位反应区存在孔洞，且Ag3Sn晶粒数量显著增多. S55A焊料连接时(图1c)，银基板界面的Ag3Sn与原位反应区的Ag3Sn结合而呈层状分布，其厚度比铜基板界面扩散反应区III要大；接头孔洞数量有所增多. S70A(图1d)与S85A(图1e)焊料连接形成的接头组织相似，在光镜下已不能明显观察到扩散反应区，靠近铜基板侧的组织致密度比银基板侧要差，接头中均产生大量孔洞，且有少量未反应的银残留.

图1 不同焊料连接接头的组织形貌

Fig.1 Cross-sectional microstructure of the joints bonded with different solders

图2显示了S55A和S70A焊料连接接头的截面组织SEM形貌. S55A焊料连接时(图2a)，铜基板与Cu6Sn5层之间形成较薄的Cu3Sn化合物，并且在Cu6Sn5/Cu3Sn界面附近观察到纳米尺度的微孔洞，这与柯肯达尔效应有关，即Cu6Sn5转变为Cu3Sn过程中铜、银原子在界面上的扩散速率不同所致.

图2 不同焊料连接接头组织的SEM形貌

Fig.2 SEM images of cross-sectional microstructures of joints bonded with different solders

接头中另一种类型的孔洞位于原位反应区II，这在S70A(图2b)和S85A焊料的连接接头中尤为明显，统称为晶界孔洞，其形成原因有两方面：一是银含量较高(≥70%)时，焊料中银颗粒之间的缝隙未得到有效填充所致；二是银含量较低(<>3Sn晶粒间的锡“岛”在反应过程中发生体积收缩而引起的，理论上体积收缩率达到9%.

为了分析银含量对接头孔洞率的影响，采用Adobe Photoshop6.0软件对接头截面形貌进行处理，并提取连接层总的像素N，和孔洞区域的像素n. 孔洞率计算公式为

P=×100%

(2)

接头孔洞率变化如图3所示，随着Ag元素含量的增加孔洞率增大，特别是达到70%以后，接头形成孔洞的倾向较为显著，这与理论计算不符，原因是扩散反应区IMCs层的形成也消耗大量的Sn元素，导致原位反应区中原始孔隙得不到足够的填充. 孔洞的形成对接头的力学性能和电性能都将产生不利的影响，焊料中Ag元素含量的进一步优化对连接效率和接头可靠性都具有重要意义.

图3 接头孔洞率随焊料Ag元素含量的变化

Fig.3 Variation of joint porosity with the Ag-content of the solder

2.2 接头力学性能

图4显示了银含量对接头力学性能的影响规律. 结果表明，随着焊料中银质量分数的增加，接头抗剪强度呈先升高后降低的趋势，S55A焊料连接时最高，超过35 MPa，而采用S85A焊料连接时最低，仅为5 MPa左右；接头显微硬度有相同的变化规律，S55A焊料连接时最高，接近70 HV，S85A焊料连接时最低，在10 HV左右. 力学性能的变化趋势与接头组织有较好的对应关系，先提高与接头中化合物含量增多有关，而后降低与原位反应区中孔洞的形成及其数量增多有关，这可以进一步从下文的断口分析中体现出来.

图4 接头抗剪强度和显微硬度随焊料Ag元素含量的变化

Fig.4 Variation of joint strength and microhardness with the Ag-content of the solder

2.3 接头断裂行为

将典型接头的断口形貌在SEM下观察，结果如图5所示，随着焊料银含量的增加，接头断裂特征发生变化，由韧性断裂逐渐过渡到脆性断裂. S20A焊料连接接头的断口表面产生大量斜韧窝(图5a)，断裂方式为韧性断裂，断裂位置位于原位反应区，这说明反应层与基板界面结合较好. 在S55A焊料连接接头的断口中(图5b)，上下基板表面的断口形貌相似，接头断裂于原位反应区内部；图中A，B两点的成分见表1，可以发现接头中有少量的锡残留；接头断裂过程时，裂纹经过Ag3Sn晶粒为沿晶断裂，并将其周围的锡撕裂开. 从断口可以看出S55A焊料连接接头的组织较为致密.

在S70A焊料连接接头的断口表面观察到大量如图5c1,c2所示的形貌，由C点成分分析(表1)，可以推断接头主要断裂在原位反应区. 而且，在铜基板侧断口检测到Cu3Sn(图5c3)，在银基板侧断口检测到Ag3Sn(图5c4)，这说明接头还会断裂在原位反应区与扩散反应区IMC层的界面. 另外还发现，随着银含量的增加(即85%时)，沿着界面处断裂的面积越来越大，原因是扩散反应区形成的IMC层较薄，与原位反应区结合力较弱. 但是，尽管焊料银含量较高时(≥70%)产生的液相锡较少，它们仍能与基板反应形成厚度超薄的IMC层(即扩散反应区，图5c3,c4)，并与原位反应区结合，从而实现焊料/基板的连接.

2.4 连接过程分析

建立了锡-银复合粉末低温TLP连接的反应模型，如图6所示. 将连接过程分为四个阶段，即第一阶段，加热至锡熔点以下，锡粉表面的氧化物被还原，锡和银尚未发生反应；第二阶段，升高至连接温度，锡粉逐渐熔化，并通过毛细作用填充银颗粒之间的间隙；第三阶段，两侧基板和银颗粒分别与液相反应形成IMCs；第四阶段，液相锡被完全消耗，接头中主要由IMCs组成，连接层残留一定量孔洞. 实际上，第二和第三阶段是同时进行的.

图5 不同焊料对应接头的断口形貌SEM图像

Fig.5 Fracture surfaces of joints bonded with different solders

表1 图5中标定区域EDS分析结果

Table 1 EDS analyses of the identified zones in Fig.5

区域原子分数a(%)组成相SnAgCuA25．3374．67—Ag3SnB1000—SnC88．1811．82—Ag3Sn+Ag

综上，采用锡-银复合粉低温TLP连接尽管可以缩短工艺时间，但是仍然存在两个较大的挑战：一是粉末配比要求较高、工艺窗口较小，二是接头中易于产生孔洞、连接压力较大，这两点是后续需要进一步解决的问题.

图6 Sn-Ag复合粉低温TLP连接过程

Fig.6 Reaction model of low-temperature TLP bonding with Sn-Ag mixed powders

3 结 论

(1) 接头组织分为三个区：银基板界面扩散反应区I、复合粉原位反应区II和铜基板扩散反应区III. 随着银含量增加，扩散反应区IMC层减薄，至70%时，III区组织不连续，而I区组织仍然相对致密；原位反应区Ag3Sn数量增多，而晶粒尺寸减小，超过70%后接头中残留有少量银. 接头中存在两种类型的孔洞，位于原位反应区的晶界孔洞和Cu3Sn/Cu6Sn5界面附近的柯肯达尔孔洞，孔洞率随银含量的增加而增大.

(2) 接头抗剪强度和显微硬度随银含量的增加而先升高后降低，至55%时达到最大，分别接近35 MPa和70 HV. 银含量低于55%时接头断裂在原位反应区，而高于70%时则断裂在原位反应区及其与扩散反应区IMC层的界面处，且银含量越高断裂在界面处的区域面积越大.

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收稿日期： 2015-11-17

基金项目： 国家自然科学基金资助项目(51375260)

中图分类号： TG 407

文献标识码： A

doi:10.12073/j.hjxb.20151117004

作者简介： 邵华凯，男，1991年出生，博士研究生. 主要从事低温过渡液相连接技术研究. Email: [e-mail]

通讯作者： 吴爱萍，女，教授. Email: [e-mail]