无铅焊料颗粒中Cu-Sn金属间化合物的三维形貌及其形成机制研究

【编辑推荐】为揭示无铅焊料中金属间化合物(IMCs)的微观结构特征，名古屋大学团队通过聚焦离子束-扫描电镜联用技术(FIB-SEM)重构了离心雾化法制备的Cu-Sn焊料颗粒三维形貌，首次发现三种典型IMCs形貌（大近球形、分支状、小近球形）及其与凝固过程的关联，透射电镜(TEM)还观测到NiAs结构中Cu原子的三倍周期性新结构，为优化焊料性能提供重要理论依据。

　　

在电子封装领域，无铅焊料合金的性能优化一直是研究热点。尽管已有大量关于焊点微观结构的分析，但焊料材料本身的内部结构研究却鲜有报道。金属间化合物(Intermetallic Compounds, IMCs)作为焊料的关键组成，其形貌特征直接影响焊点的机械性能和可靠性。传统研究多聚焦于焊接后IMCs的二维结构，而对焊前IMCs的三维形态及其形成机制的认识仍存在空白。

日本名古屋大学（Nagoya University）材料设计创新工程系的Tomoyo Morikawa团队在《Materials》发表的研究中，首次采用聚焦离子束-扫描电镜联用技术(FIB-SEM)对离心雾化法制备的Cu-Sn焊料颗粒进行连续切片三维重构。通过结合透射电镜(TEM)分析，系统揭示了焊前IMCs的三维形貌特征及其与凝固过程的动态关联。

研究采用三项关键技术：1）FIB-SEM三维重构技术实现IMCs纳米级分辨率成像；2）离心雾化法制备含56 at.% Cu的Cu-Sn焊料颗粒；3）TEM电子衍射分析晶体结构。样本为直径约50μm的焊料颗粒，每个颗粒包含约60个IMCs分散在含1.6 at.% Cu的Sn基体中。

【IMC形貌分类】研究发现IMCs呈现三种典型形貌：

1）大近球形（直径2-5μm）：形成于凝固初期，因周围Cu浓度较高而生长为近球形；

2）分支状：由凝固中期Cu浓度波动引发枝晶生长；

3）小近球形（直径<1μm）：在凝固末期低Cu浓度环境下形成。

【晶体结构新发现】TEM首次观测到IMCs中Cu原子在NiAs结构间隙位的三倍周期性排列，这种新型短周期结构与传统η-Cu₆Sn₅相不同，研究者认为这与IMCs中异常高的Cu浓度（56 at.% vs 常规54.5 at.%）密切相关。

该研究首次建立IMCs形貌-凝固过程的对应关系：早期凝固形成大近球形IMCs会消耗周围Cu元素，导致熔体中Cu浓度下降并引发后续IMCs的枝晶生长；而末期凝固区域因Cu浓度骤减只能形成小尺寸IMCs。这种动态过程为解释焊料中IMCs的异质性分布提供了新视角。发现的特殊晶体结构也拓展了对IMCs成分-结构关系的认知，为开发新型高可靠性焊料提供了理论指导。研究结果对理解多组分合金凝固过程中的相变机制具有普适性意义。