同步辐射X射线显微断层扫描与能量色散衍射联用技术揭示Sn-Bi焊料合金凝固过程的多模态表征

这篇研究首次采用同步辐射X射线显微断层扫描（XRM）与能量色散衍射（EDD）联用技术，实时解析Sn-Bi焊料合金凝固过程中的微观结构演化（4D成像）与晶格应变动态。通过多模态关联分析，揭示了初生Bi相的界面反应控制生长机制，并建立衍射强度与相分数的定量关系，为电子封装材料性能优化提供新见解。

　　

引言

近年来，同步辐射X射线设施的发展为材料动态过程研究开辟了新途径。X射线显微断层扫描（XRM）技术通过吸收衬度成像实现三维微观结构解析，已成功应用于枝晶形成、共晶生长等凝固现象研究。Sn基合金作为电子封装关键互连材料，其低熔点Sn-Bi体系因芯片异构集成需求备受关注。然而，凝固过程中Bi相的面状生长特性会引发脆性等问题，传统表征手段难以同步捕捉形貌与晶体学演变。

实验结果

微观结构演化

研究采用Sn-70Bi（wt%）焊料在铜基板上的回流实验，通过7-BM光束线（APS）的滤波白光（40-130 keV）实现高衬度成像。4D-XRM清晰捕捉到153°C时初生Bi相在熔体表面的异质成核，其金字塔形貌由{1^·02}晶面主导。正交切片显示127-120°C区间Bi相在液态基体中的移动现象，118.5°C时Sn枝晶沿Bi晶面成核，117.4°C共晶组织在22°C过冷度下形成。通过表面体积比倒数（S_v^-1）分析，发现Bi相生长分为快速成核（>146°C）和稳态线性增长两阶段，证实其为界面反应控制机制。

相变与应变演化

能量色散衍射（EDD）在固定衍射角2.4°下捕获95-130 keV能谱。Bi(10^ˉ4)峰宽（FWHM）分析显示：成核阶段非均匀应变显著（0.037→0.055 ?^-1），稳态生长时因位错弛豫趋于稳定，共晶形成后升至0.063 ?^-1。而通过布拉格方程计算的晶面间距（d=2.390±0.005 ?）证实Bi相均匀应变极小，源于其低热膨胀特性。

定量关联

衍射强度与XRM相分数呈现线性关系：Bi(10^ˉ4)峰强在153-118°C随初生相增长而上升，共晶转变时骤增。通过杠杆定律校正共晶Bi含量后，建立首个EDD-断层扫描联用的相分数预测模型，为快速相变分析提供新范式。

实验方法

实验采用1°C/min冷却速率，800投影/扫描（0.04 s/帧），LuAg:Ce闪烁体实现0.67 μm分辨率。Ge探测器采集衍射信号，Python代码进行高斯拟合与能谱校正。Avizo软件完成三维重构与定量分析，TomoPy工具箱处理光束硬化效应。

结论

该工作通过XRM-EDD多模态联用，首次阐明Sn-Bi合金中初生Bi相的界面控制生长机制与应变演化规律，建立的衍射强度-相分数定量模型为材料动态过程研究树立新标准。这项技术未来可拓展至其他合金体系凝固、电池电极演变等快速相变过程的原位表征。