镓调控SnBiGaIn四元合金界面反应与金属间化合物演变的机理研究及其在低温焊料设计中的应用

针对电子封装中传统无铅焊料高温工艺导致的可靠性问题，研究人员通过将GaInSn合金与Sn58Bi复合，系统研究了Ga含量(0.2-1.0 wt%)对Cu基板界面IMC演变的影响。发现0.2 wt% Ga可细化共晶组织、形成薄层γ1-Cu9Ga4相，使剪切强度达37.4 MPa；而过量Ga(≥0.8 wt%)会引发Kirkendall空洞。该研究为低温SnBi基焊料设计提供了界面调控新策略。

　　

随着电子设备向微型化、高性能化发展，电子封装行业对焊接材料提出了严苛要求。传统无铅焊料如Sn-Ag-Cu系需要高温加工，易导致基板翘曲和热损伤；而新兴的低温Sn-Bi系焊料虽能降低熔点，却面临界面反应不可控、机械性能不足等挑战。更棘手的是，多组分合金中金属间化合物(Intermetallic Compound, IMC)的演变规律复杂，特别是当引入镓(Ga)这类低熔点金属时，其与铜基板的界面反应机制尚未明确。这就像在微观尺度进行一场"金属交响乐"，每个元素的添加都可能彻底改变界面"乐章"的走向。

厦门大学（根据通讯地址"Xiamen"及国内基金编号3502Z202473067推断）的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究，创新性地将熔点仅13.2°C的Ga-In-Sn液态合金(68.5Ga-21.5In-10Sn)与Sn58Bi复合，构建了SnBiGaIn四元体系。通过调控Ga含量(0.2-1.0 wt%)，揭示了Ga对界面IMC相变、微观结构及力学性能的调控规律。研究发现，微量Ga(0.2 wt%)可使界面IMC从常规Cu₆Sn₅/Cu₃Sn转变为Ga富集的γ₁-Cu₉Ga₄相，同时细化共晶组织，使剪切强度提升至37.4 MPa——这比文献报道的Ga基焊料典型强度(约20 MPa)提高了87%。但过量Ga(≥0.8 wt%)会引发Kirkendall空洞和应力集中，导致脆性断裂。该研究为设计高可靠性低温焊料提供了理论依据。

关键技术方法包括：(1)采用差示扫描量热法(DSC)分析合金熔点变化；(2)通过扫描电镜(SEM)结合能谱(EDS)表征界面IMC形貌与成分；(3)使用剪切试验机评估力学性能；(4)借助透射电镜(TEM)解析IMC晶体结构；(5)基于CALPHAD模型进行热力学计算。

【Solder joint interface】
研究发现，未添加Ga的Sn58Bi/Cu界面形成典型双层IMC：外层Cu₆Sn₅（η相）与内层Cu₃Sn（ε相）。添加0.2 wt% Ga后，界面转变为单层γ₁-Cu₉Ga₄，厚度仅1.2 μm，且共晶Sn-Bi组织显著细化。EDS面扫描显示Ga在界面处富集浓度达8.7 at%，而Sn被排斥至焊料内部。当Ga增至0.8 wt%时，IMC层异常增厚至5.8 μm，并出现蜂窝状多孔结构，TEM衍射斑点确认其为单斜晶系的Cu₉Ga₄。

【Mechanical properties】
剪切测试显示，0.2 wt% Ga样品的断裂能达12.3 J/m²，表现为韧性断裂；而0.8 wt% Ga样品骤降至4.7 J/m²，断口呈现沿晶断裂特征。通过建立IMC厚度与剪切强度的定量关系模型，发现当γ₁-Cu₉Ga₄层超过3 μm时，Kirkendall空洞密度与应力集中系数呈指数增长。

【Conclusions】
该研究证实Ga含量对SnBiGaIn/Cu界面行为具有"双刃剑"效应：最佳0.2 wt% Ga通过形成纳米级γ₁-Cu₉Ga₄相和细化组织，实现强度-塑性的协同提升；而过量Ga则因Cu₉Ga₄的快速生长导致界面劣化。这一发现突破了传统Sn-Bi焊料的设计框架，通过精准控制Ga诱导的界面反应动力学，为柔性电子、生物集成器件等新兴领域的低温互连技术提供了新材料解决方案。