Sn58Bi/Cu柱摩擦嵌入式微焊接接头中焊料的微观结构特征及变形孪生行为

《Materials Chemistry and Physics》：Microstructure characteristics and deformation twinning behavior of the solder for Sn58Bi/Cu column friction embedded micro-welding joint

本研究通过预镀锡处理改善Cu柱表面，在Sn58Bi/Cu柱摩擦微焊接（FEMW）中形成均匀摩擦界面，抑制Bi元素偏析，显著提升焊接接头强度（52%）和断裂位移（29.63%），并揭示不同焊接区域（SGZ、RSGMZ、DRZ、SMZ）的微观结构演变规律及双晶特征。

　　

赵志立|邱柳英|李正坤|魏建东|严益轩

哈尔滨科技大学材料科学与化学工程学院，中国哈尔滨

摘要

研究了镀锡处理对Cu柱表面影响以及这种处理如何影响Sn58Bi/Cu柱摩擦嵌入式微焊接（FEMW）接头的连接质量。Cu柱表面形成的纯锡层增加了焊接过程中的摩擦热生成和界面温度，并抑制了Bi元素在Cu柱表面的偏聚。与Sn58Bi/Cu柱FEMW接头相比，Sn58Bi/镀锡Cu柱FEMW接头的抗拉强度和断裂位移分别提高了52%和29.63%。随着距离Cu柱的距离逐渐减小，从亚结构晶粒区（SGZ）到再结晶和亚结构晶粒混合区（RSGMZ），再到动态再结晶区（DRZ），最终到搅拌混合区（SMZ），焊料所受的摩擦热机械作用逐渐增强，β-Sn相和富Bi相的连续动态再结晶（CDRX）及孪晶比例增加，而它们的晶粒强度逐渐降低。由于富Bi相具有更高的硬度和更强的应力传递能力，与其它基于锡的焊料/Cu柱FEMW接头相比，Sn58Bi/Cu柱FEMW接头中由再结晶和孪晶引起的晶粒细化区域明显更大。在FEMW的热机械作用下，形成了两种β-Sn相孪晶和一种富Bi相孪晶，它们的孪晶面、孪晶角及旋转轴分别为{111}61.19° 〈010〉、{301}61.30° 〈010〉和{1$\bar{1}$02}92.0°<$\bar{2}$021]。第一种β-Sn孪晶系统在回流焊接头中尚未被报道。CDRX和孪晶作用将SMZ和DRZ区域的晶粒细化至纳米级别，使β-Sn相和富Bi相晶粒的施密特因子（SFs）分别增加到3.0–5.0和2.0–5.0。因此，SMZ和DRZ区域的压痕硬度值显著低于SGZ区域。

引言

封装是电子设备制造中的关键步骤。随着电子设备向高密度、高可靠性和小型化方向快速发展，具有大量I/O引脚和良好电气性能的球栅阵列（BGA）封装技术得到了广泛应用[1,2]。然而，在BGA设备的使用过程中，由于陶瓷芯片载体基板与印刷电路板（PCB）之间的热膨胀系数不匹配，温度循环会在接头内部产生周期性应力和应变，从而导致接头损伤和裂纹的积累[[3], [4], [5]]。因此，研究人员提出了柱栅阵列（CGA）封装技术来替代BGA封装技术。该技术利用焊料柱或铜柱的弯曲变形[[6], [7], [8]]来吸收PCB与陶瓷基板之间焊料接头产生的热应力，从而提高了电子设备的热疲劳性能。与由焊料柱互连组成的CGA封装相比，由铜柱互连组成的CGA封装具有更长的热疲劳寿命[11,12]。

目前，CGA封装通常需要精密模具来辅助定位Cu柱，然后通过回流焊将焊膏焊接在基板上以实现Cu柱与Cu焊盘之间的连接。由于不同规格设备使用的模具不通用，因此柱植入过程的成本显著增加。此外，在整个回流焊过程中模具的存在会影响有效的热传递。在焊接后的模具拆卸过程中，柱互连容易受到划伤，这可能影响接头的可靠性。为了降低模具成本和减少模具带来的缺陷，赵等人提出了一种摩擦嵌入式微焊接（FEMW）方法用于CGA封装中的柱植入。该方法无需模具辅助定位，利用精密微钻床夹紧Cu柱，通过Cu柱的旋转摩擦和轴向移动实现Cu柱与Cu焊盘之间的连接。在焊接过程中，焊料/Cu柱摩擦界面附近的原子在摩擦产生的热机械作用下发生扩散，形成焊料与Cu柱之间的金属间化合物（IMC）界面连接层[13]。由于生成的IMC层在此过程中不断摩擦磨损，焊料/Cu柱界面容易形成薄而不连续的IMC层，这限制了接头连接强度的提高[14,15]。

在本文中，采用热浸镀锡工艺在纯Cu柱表面预先形成一层镀锡层，将FEMW中焊料/Cu柱异质材料的摩擦界面转变为由纯锡层和焊料组成的近似均匀材料界面，期望以此提高FEMW接头的连接强度。使用Sn58Bi共晶焊料作为Cu柱与基板焊盘之间的连接材料，以研究这种低熔点（139°C）二元合金焊料在热敏设备中的适用性。

实验程序

实验步骤

实验所用Cu柱为纯铜制成，长度与直径比为8，直径为700 μm。使用直径2.2 mm、厚度35 μm的Cu焊盘作为基板。首先用2000目砂纸打磨Cu柱的两端，然后将其放入无水乙醇中进行超声清洗。随后将Cu柱垂直放入含有260°C纯锡溶液的坩埚中浸泡60秒进行热浸镀锡。

镀锡Cu柱的微观结构

热浸镀锡后Cu柱的微观结构如图3(a)所示，Cu柱表面形成了平均厚度为4.6 μm的纯锡层。Cu柱与锡层之间形成了平均厚度为1.29 μm的连续波浪状IMC层。图3(a)中A点的EDS测试结果如图3(b)所示，Cu和Sn的原子比分别为58.9%和41.1%，接近6:5的比例，表明

结论

本研究通过在纯Cu柱上进行热浸镀锡处理，实现了Cu柱与Sn58Bi焊料之间的均匀摩擦焊接。比较了未经镀锡处理和镀锡处理的Cu柱形成的FEMW接头的微观形态和抗拉性能。利用EBSD和纳米压痕测试分析了Sn58Bi/镀锡Cu柱FEMW接头中每个焊料微区的微观结构和力学性能。结果表明：

(1)

热浸镀锡显著

作者贡献声明

赵志立：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源提供。邱柳英：撰写 – 原稿，实验研究。李正坤：数据验证。魏建东：资源提供。严益轩：数据可视化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究工作。