铁纳米颗粒掺杂助焊剂对SAC305焊点电迁移效应的抑制作用研究

为解决高电流密度下Sn-Ag-Cu(SAC305)焊点因电迁移(EM)导致的铜溶解和界面金属间化合物(IMC)增厚问题，研究人员通过掺杂铁纳米颗粒(Fe-NPs)的助焊剂，系统研究了其对焊点可靠性的影响。结果表明，0.5 wt.% Fe-NPs可有效抑制阴极铜溶解，并将阳极IMC增厚减少66%，为高功率电子器件的小型化设计提供了新策略。

　　

随着电子器件小型化和高功率化的发展，Sn-Ag-Cu（SAC305）焊点的可靠性面临严峻挑战。电迁移（Electromigration, EM）现象——即高电流密度下金属原子的定向迁移——会导致焊点阴极铜溶解、阳极金属间化合物（Intermetallic Compound, IMC）异常增厚，最终引发器件失效。尽管添加镍(Ni)、钴(Co)等纳米颗粒可缓解这一问题，但铁纳米颗粒（Fe-NPs）在界面调控中的作用机制尚不明确。来自TU Wien的Irina Wodak团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究，首次通过助焊剂掺杂Fe-NPs的策略，揭示了其对SAC305焊点电迁移行为的独特抑制作用。

研究人员采用行星离心混合法将60 nm Fe-NPs均匀分散于无卤助焊剂，制备了0.5-2.0 wt.%不同浓度的复合材料。通过蒸气相回流焊接制备0402封装尺寸的SMD焊点，并在4A电流（局部电流密度达0.5×10⁸ A/m²）下进行长达4000小时的老化实验。结合二次离子质谱（SIMS）、扫描电镜（SEM）和剪切测试等多尺度表征手段，系统分析了Fe-NPs对界面演化和力学性能的影响。

3.1 微结构表征

SEM显示未掺杂样品在4000小时老化后出现显著的阴极铜溶解（图4b），而0.5 wt.% Fe-NPs样品完全抑制了这一现象（图5a2）。SIMS证实Fe-NPs主要富集在焊盘区域（图6d），形成空间位阻效应。

3.2 界面IMC层演化

电流拥挤导致未掺杂样品阳极IMC增厚1.1 μm（66%），而0.5 wt.% Fe-NPs样品仅增厚0.2 μm（图7b）。Fe-NPs通过形成FeSn₂纳米相和(Cu,Fe)₆Sn₅固溶体，将铜扩散激活能提高60-70 kJ/mol。

3.3 力学性能

尽管所有样品在4000小时后剪切强度下降12-27%，但Fe-NPs掺杂样品始终优于对照组（图9b）。断裂分析表明失效均发生于IMC/焊料界面（图10d），证实Fe-NPs未改变断裂机制但延缓了性能退化。

这项研究创新性地证明：低浓度（0.5 wt.%）Fe-NPs通过界面合金化和扩散阻挡双重机制，可将电迁移损伤降低50%以上。该发现为高密度电子封装提供了经济高效的可靠性提升方案，尤其适用于汽车电子和5G通信设备中承受高电流负载的微型焊点设计。研究同时警示过高浓度（>1 wt.%）会导致纳米颗粒团聚，反而削弱防护效果，为工业化应用划定了关键参数窗口。