利用Sn/2 μm Cu/Sn叠层预制件实现快速等轴Cu3Sn形成及高温可靠性的瞬态液相连接技术研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Rapid Equiaxed Cu3Sn Formation and High-Temperature Reliability of Transient Liquid Phase Bonding with an Sn/2 μm Cu/Sn Preform

为解决Cu-Sn瞬态液相（TLP）连接中存在的处理时间长、因体积收缩导致孔洞形成以及柱状Cu3Sn生长导致接头可靠性下降等瓶颈问题，研究人员开展了采用Sn/2 μm Cu/Sn叠层焊料预制件进行TLP连接的研究。该研究实现了在20分钟内将Sn完全转化为等轴Cu3Sn，形成了均匀稳定的IMC接头，且在150°C老化1008小时后仍保持30 MPa以上的剪切强度。这项研究为高温、高可靠性功率电子封装提供了一条实用途径。

　　

在追求高效、高功率密度的现代电力电子世界中，电动汽车、可再生能源系统和高速列车等领域的快速发展，对核心部件——逆变器功率模块——提出了前所未有的高温、高可靠性要求。功率半导体，特别是以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体，可以在150-200°C甚至更高的温度下高效运行。然而，传统锡基焊料的熔点限制了其在如此严苛环境下的应用，存在蠕变变形甚至局部熔化的风险，可能导致芯片失效。为了突破这一瓶颈，瞬态液相（Transient Liquid Phase, TLP）连接技术应运而生，它旨在通过低熔点金属与高熔点金属反应，形成高熔点的金属间化合物（Intermetallic Compound, IMC）接头，从而获得优异的高温稳定性。

在众多TLP连接体系中，Cu-Sn体系因其低成本、高反应活性和优良的热性能而受到广泛研究。其最终形成的Cu₃Sn相熔点高达676°C，并展现出优于Sn和Cu₆Sn₅的机械、热学和电学性能。但传统的Cu-Sn TLP连接面临三大挑战：首先，完全转化为Cu₃Sn需要较长的处理时间；其次，在Cu₆Sn₅向Cu₃Sn转变的固态反应过程中，伴随的体积收缩会直接导致内部孔洞形成；最关键的是，最终形成的Cu₃Sn相常常以柱状晶形态生长。这些从两侧生长的柱状晶在接头中心相遇，形成脆弱的界面，极易引发裂纹，严重损害接头的长期可靠性。相比之下，等轴Cu₃Sn晶粒因其随机取向，能有效阻碍裂纹扩展，展现出更优的机械可靠性。然而，在常规TLP连接中，过量的铜供应通常会主导柱状晶的形成。那么，能否找到一种方法，既能加速IMC的形成，又能精确控制Cu₃Sn的形态，从而制备出高性能、高可靠性的接头呢？

由Dong-Bok Lee和Jeong-Won Yoon开展并发表在《Journal of Materials Research and Technology》上的这项研究，正是为了应对上述挑战。他们创新性地设计并采用了一种Sn/2 μm Cu/Sn叠层焊料预制件，成功地将Cu芯片与直接覆铜（DBC）基板进行连接。这项研究不仅实现了快速、完全的IMC转化，更重要的是，实现了对Cu₃Sn晶粒形态的精确控制，获得了全等轴晶的微观结构，显著提升了接头在高温下的长期可靠性。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：首先，他们通过将2 μm厚的超薄Cu箔夹在两层50 μm的Sn箔之间，并在220°C、2 MPa压力下键合30分钟，制备了Sn/2 μm Cu/Sn叠层预制件，此过程形成了薄层Cu₆Sn₅以实现冶金结合。其次，使用该预制件在280°C、3.5 MPa压力下进行20分钟的芯片-基板键合，使预制件完全转化为IMC。接着，对键合后的接头在150°C下进行长达1008小时的等温老化，以评估其高温可靠性。在表征方面，研究采用了场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）进行微观形貌观察和成分分析；利用X射线衍射（XRD）进行物相鉴定；通过电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒尺寸、晶体结构和取向分布；最后，使用剪切测试仪对接头的机械可靠性进行定量评估。

以下是根据研究结果部分的小标题归纳出的主要发现：

3. 结果与讨论

• •
  Sn/2 μm Cu/Sn叠层焊料预制件的表征：成功制备的预制件微观结构显示，在原始的2 μm Cu箔两侧形成了平均厚度约1.9 μm的Cu₆Sn₅层，同时Cu层厚度减至约1 μm，表明在预制件制备阶段已有部分Cu被消耗。
• •
  芯片-预制件-基板键合形成的Cu₃Sn接头微观结构与成分分析：在280°C下键合20分钟后，整个接头区域（厚度约8 μm）被完全、均匀地转化为Cu₃Sn相，中央的2 μm Cu层被完全消耗。EDX线扫描证实了整个接头区域的成分符合Cu₃Sn的化学计量比。
• •
  芯片-预制件-基板键合接头的EBSD分析：EBSD分析证实，键合后接头完全由Cu₃Sn组成，且晶粒呈无择优取向的等轴形态，平均晶粒尺寸为0.55 μm。这种等轴结构有利于抑制裂纹的快速、单向扩展。
• •
  Cu₃Sn的生长机制：研究阐明了使用超薄Cu夹层抑制柱状晶生长、促进等轴晶形成的机制。关键在于超薄（2 μm）Cu层的快速完全消耗，终止了铜的持续供应，从而抑制了沿低表面能的(100)面进行的柱状生长。当从芯片和基板两侧生长的Cu₃Sn与接头中心已形成的等轴Cu₃Sn相遇时，生长终止，最终形成均匀的等轴Cu₃Sn结构，并显著减少了孔洞的形成。
• •
  150°C老化过程中TLP键合接头的微观结构演变：在150°C下老化长达1008小时后，接头物相保持稳定，始终为Cu₃Sn，未发生进一步相变。XRD分析也证实了从0小时到1008小时，Cu₃Sn相保持稳定。
• •
  老化1008小时后接头IMC层的EBSD分析：经过1008小时老化后，接头仍保持等轴Cu₃Sn的微观结构，且无明显的晶体学织构。平均晶粒尺寸从0小时（键合态）的0.55 μm略微增加至0.73 μm，表明发生了适度的晶粒粗化。
• •
  剪切强度随150°C老化时间的变化：接头的平均剪切强度随老化时间延长呈逐渐下降趋势，从初始的约37.9 MPa降至1008小时后的30.8 MPa。强度下降主要归因于等轴Cu₃Sn晶粒在长期热暴露下的粗化。
• •
  老化接头的断裂行为：对老化504小时后的接头断裂面分析表明，断裂发生在IMC层的上、中、下多个区域，呈现多路径混合断裂特征。这与等轴Cu₃Sn随机分布的晶界促使裂纹沿多个方向扩展有关，有助于分散应力，提高可靠性。相比之下，柱状Cu₃Sn则倾向于沿中心线孔洞和单一界面发生单向断裂，对可靠性不利。
• •
  Cu-Sn TLP连接技术的比较结果：与使用树枝状Cu@Sn、Cu泡沫、莲花型多孔Cu、Sn膏或10 μm Sn预制件等材料的既往研究相比，本研究采用的Sn/2 μm Cu/Sn预制件，在相对较短的键合时间（20分钟）和较低压力（3.5 MPa）下，实现了接头的完全Cu₃Sn转化，并获得了较高的初始剪切强度（37.8 MPa），其可靠性提升主要归功于全等轴Cu₃Sn结构的形成。

结论与重要意义

本研究成功证明，采用Sn/2 μm Cu/Sn叠层焊料预制件，可以实现Cu-Sn TLP连接接头的快速、完全转化，在20分钟内形成均匀的等轴Cu₃Sn接头。超薄Cu夹层的完全消耗是抑制柱状生长、促进等轴晶形成的关键机制，它通过终止接头中心的Cu供应以及两侧Cu₃Sn生长前沿的相互碰撞，阻止了沿(100)面的择优柱状生长。

经过150°C长达1008小时的老化考验，等轴Cu₃Sn接头表现出优异的长期相稳定性。尽管发生了轻微的晶粒粗化，但其等轴结构依然展现出优于柱状结构的抗裂纹扩展和抑制孔洞生长的能力，使得接头剪切强度在老化后仍能保持在30 MPa以上，显示出稳定的高温可靠性。

这项工作的核心意义在于，它不仅仅是一种工艺优化，更是一种通过微观结构设计来提升材料性能的典范。通过将Cu夹层厚度精确控制在2 μm这一超薄尺度，研究团队不仅大幅缩短了TLP连接的工艺时间，更实现了对Cu₃Sn晶粒形态从柱状到等轴的革命性控制。这种全等轴、细晶的微观结构，极大地增强了接头在热机械应力下的可靠性。因此，该研究为下一代要求高温、高可靠性的功率电子封装（如电动汽车、航空航天等领域）提供了一条切实可行且高效的互联解决方案，展示了通过精巧的材料与结构设计解决工程瓶颈问题的强大潜力。