孔结构对莲花型多孔Cu/焊料接头中空洞形成的影响

《Results in Materials》：Effect of pore structure on void formation in lotus type porous Cu/solder joints

本研究通过单向多孔铜（Lotus Cu）结构优化，结合不同气氛（空气、氮气、真空）的回流焊接工艺，发现Lotus Cu可显著降低焊缝气孔率（约65.3%），并提升剪切强度，有效改善高功率电子器件的连接可靠性。

　　在高功率电子器件中，焊点内部的气泡形成是影响其可靠性的重要因素之一。气泡不仅会降低热传导效率，还可能削弱机械结构的完整性，进而影响整个系统的性能和寿命。为了应对这一挑战，研究人员提出了一种创新的结构设计方法，旨在减少焊点中气泡的生成。该研究重点探讨了“莲型多孔铜”（Lotus Cu）在焊点气泡形成中的作用。Lotus Cu是一种具有单向排列孔隙的多孔金属材料，其结构特性使其在特定条件下展现出优于传统非多孔铜的性能。

Lotus Cu的多孔结构是在高压气体环境下凝固形成的，这种结构赋予了其各向异性特性，使其在某些方向上具备更高的热导率和电导率。例如，在与孔隙平行的方向上，其热导率显著优于常规多孔铜，这使其成为一种潜在的热管理材料，尤其是在散热器等应用中。然而，尽管多孔结构在先进连接技术中展现出广阔的应用前景，但在实际加工条件下，如何确保界面质量的可靠性仍然是一个需要进一步研究的课题。

在焊点形成过程中，SAC305（Sn–3.0Ag–0.5Cu）是一种广泛使用的焊料，因其良好的机械强度和稳定的回流特性而受到青睐。然而，使用焊料膏进行回流焊时，由于助焊剂的挥发和熔化过程中产生的气体，常常会在焊点内部形成气泡。这些气泡不仅影响热传导，还会降低机械疲劳寿命，并对电气性能造成潜在威胁。为了减少气泡的形成，已有大量研究探讨了回流条件、助焊剂成分、焊接温度和压力以及表面处理等因素的影响。

此外，气泡的尺寸、分布和位置对焊点的热和机械性能具有显著影响。研究表明，通过三维分析技术，如X射线计算机断层扫描（X-ray CT），可以对气泡进行定量评估，并进一步分析其对焊点可靠性的具体影响。尽管表面处理、模板图案设计和气氛控制等方法已被广泛研究，但多孔结构在气泡形成中的作用尚未得到充分探索。因此，本研究聚焦于Lotus Cu的结构特性，探讨其在减少气泡形成方面的潜力。

为了系统评估Lotus Cu对气泡形成的影响，研究人员构建了Lotus Cu/SAC305/Cu的焊点结构，并与非多孔铜进行了对比实验。实验过程中，所有样品均在相同的条件下进行加工，包括使用相同的助焊剂膏和焊接参数。回流焊则在三种不同的气氛条件下进行：空气、氮气和真空。通过X-ray CT技术对焊点内部的气泡形态进行了非破坏性检测，并结合图像分析软件对气泡面积比例进行了定量评估。结果表明，使用Lotus Cu作为基底材料的焊点相比非多孔铜焊点，其气泡形成量显著减少。

在实验中，Lotus Cu的平均孔径约为200微米（±81微米），孔隙率约为37%。上层和下层铜基底分别加工为4×4×1毫米3和10×10×15毫米3的尺寸，采用线切割电火花加工（EDM）技术。SAC305助焊剂膏的成分包括粒径在15–25微米之间的焊料粉末，以及11.7重量百分比的RMA型松香基助焊剂。实验前，铜基底样品经过抛光和超声波清洗，以去除表面杂质和氧化物。清洗完成后，助焊剂膏被均匀涂布在下层铜基底上，并在特定厚度下进行回流焊。

回流焊过程中，样品被置于三种不同的气氛条件下进行加热和冷却。其中，氮气和真空环境有助于减少助焊剂挥发带来的气体残留，从而降低气泡形成的风险。实验结果显示，在空气、氮气和真空环境下，非多孔铜焊点的气泡比例分别为33.0%、25.2%和27.1%，而Lotus Cu焊点的气泡比例则分别为11.8%、9.2%和8.6%。从整体来看，使用Lotus Cu的焊点平均气泡比例约为10%，而非多孔铜焊点约为30%，表明Lotus Cu的应用可使气泡比例降低约65.3%。这一结果在大尺寸焊点应用中尤为重要，因为在大尺寸焊点中，由于焊点中心到边缘的长距离，助焊剂蒸汽在焊料凝固前难以完全逸出，导致气泡含量较高。相比之下，Lotus Cu的垂直气泡逸出通道有效减少了气泡的形成，从而提升了焊点的可靠性。

在机械性能方面，实验还对焊点的剪切强度进行了测试。使用剪切测试仪（Dage 4000，Nordson）对焊点样品进行剪切测试，测试参数根据焊点厚度和样品尺寸设定。剪切高度为200微米，剪切速度为200微米/秒。每个样品组至少进行了五次重复测试，以确保测试结果的统计可靠性。测试结果显示，在空气、氮气和真空环境下，非多孔铜焊点的剪切强度分别为32.6 MPa、33.7 MPa和35.8 MPa，而Lotus Cu焊点的剪切强度分别为36.4 MPa、36.4 MPa和37.1 MPa。与非多孔铜相比，Lotus Cu焊点的平均剪切强度提高了约7.62%。这一结果表明，Lotus Cu不仅在减少气泡方面表现出色，还在提升焊点的机械强度方面具有优势。

为了进一步验证这些结果，研究人员对焊点进行了截面分析和断裂表面分析。通过使用金刚石线切割锯（Well 3500，Agar Scientific）对样品进行低速切割，并采用冷镶嵌技术进行样品处理。随后，使用砂纸和磨料对样品进行打磨，以获得清晰的截面图像。断裂表面分析则通过扫描电子显微镜（SEM）进行，对焊点区域的微观结构和元素分布进行了详细观察。结果表明，非多孔铜焊点的断裂表面存在较大的气泡，而Lotus Cu焊点的气泡较小，且分布更为均匀。此外，EDS分析显示，断裂区域的主要成分是锡（Sn），而铜（Cu）和银（Ag）的含量则较低，这表明气泡的形成与助焊剂的挥发密切相关。

在进一步分析中，研究人员发现，气泡的形成与焊点的微观结构和界面特性密切相关。通过X-ray CT和SEM图像的对比，可以清晰地看到，Lotus Cu的多孔结构为气体提供了有效的逸出通道，从而显著减少了气泡的形成。相比之下，非多孔铜焊点的气体逸出受到限制，导致气泡含量较高。这种结构上的差异使得Lotus Cu在提升焊点可靠性方面表现出色，特别是在高真空环境下，其气泡减少效果更为明显。

此外，研究人员还探讨了Lotus Cu在提升焊点机械性能方面的潜力。通过调整孔隙率和结构方向，可以进一步优化焊点的剪切强度和热导率。与传统的助焊剂改进方法相比，Lotus Cu的结构设计方法提供了一种新的思路，即通过物理结构的优化来提升焊点的可靠性。这种策略不仅减少了气泡的形成，还通过增加有效的结合面积，提升了焊点的机械性能。

展望未来，研究团队认为，进一步提升焊点可靠性的方向可能在于开发混合增强策略。虽然本研究主要关注了多孔结构对气泡减少的影响，但将Lotus Cu与粒子增强复合焊料相结合，可能带来更显著的性能提升。通过研究结构气泡消除与微观结构优化的协同效应，可以为电子设备的热机械可靠性提供更全面的解决方案。此外，研究人员还建议，未来的工作可以进一步探讨不同加工条件对Lotus Cu焊点性能的影响，以优化其在实际应用中的表现。

综上所述，Lotus Cu作为一种具有单向孔隙结构的多孔金属材料，在减少焊点气泡形成方面展现出显著优势。其结构特性使得气体在回流过程中能够更有效地逸出，从而降低了气泡的生成。同时，Lotus Cu焊点的剪切强度优于非多孔铜焊点，表明其在提升焊点机械性能方面具有潜力。这些结果不仅对高功率电子器件的可靠性研究具有重要意义，也为未来的材料设计和加工工艺提供了新的思路。通过结合结构优化和材料改进，可以进一步提升焊点的热机械性能，为电子设备的长期稳定运行提供保障。