Ni-MWCNTs 有效抑制倒装LED 封装焊层中的原子扩散

半导体器件的先进封装在提高芯片集成度、电气连接以及性能优化的过程中扮演着重要角色。在实际生产中，焊点被认为是封装可靠性的瓶颈，一个焊点的失效就有可能造成器件整体失效。但是这个瓶颈是可以突破的，上海应用技术大学邹军教授团队通过在封装焊料中添加纳米颗粒提高了钎焊接头的抗剪切强度和抗疲劳性能，以提升封装可靠性。

多壁碳纳米管（MWCNTs）具有极好的潜力，可以用作增强剂来生产先进的纳米复合材料。但其在焊料中不易均匀分布，导致界面连接不牢固。因此，单纯的MWCNTs 作为增强材料具有局限性，团队对MWCNTs 进行了镍（Ni）装饰以弥补缺陷。

该团队不是第一个提出镍改性MWCNTs 复合焊料（Ni-MWCNTs）的。但是，当焊点在恶劣的环境中服役时，一个重要因素就是老化可靠性。因此，有必要对Ni-MWCNTs 的老化性能进行深入研究。

他们用化学镀的方法制备了Ni-MWCNTs，然后通过球磨机将Ni-MWCNTs 与Sn-Ag-Cu 焊料充分混合，并用在倒装LED 封装中以验证复合焊料的性能，评估时效条件下复合焊料的物理性能、复合焊点的微观结构和机械性能。

从复合焊料的物理性能来看，将纳米复合材料增强剂Ni-MWCNT 的质量分数增加到0.2%时，密度连续降低到SAC 焊料合金理论值的95%。纳米复合焊料拥有更高的显微硬度，更低的润湿角。但是Ni-MWCNTs 的质量分数超过0.1%时，会降低复合焊料的润湿性能。

从复合焊料的微观结构来看，随着增强剂Ni-MWCNTs 的添加，IMC 层的厚度先减小后增大。添加到焊料中的Ni-MWCNTs 数量越多，IMC 层就越薄。但是，随着Ni-MWCNTs 的质量分数进一步增加至0.2%，增强剂在焊料中团聚，IMC 层的厚度略有增加。从老化时间对复合焊点的影响来看，随着老化时间的延长，在添加Ni-MWCNTs 增强剂的焊点中观察到两种不同的相组成：Cu3Sn 和（Cu,Ni）6Sn5。IMC 的厚度快速增长，导致焊点的剪切强度下降。从老化温度对复合焊点的影响来看，随着老化温度的升高，焊点的颗粒尺寸加粗。晶粒粗化的原因是高浓度的（Cu,Ni）6Sn5不能有效阻止晶粒长大。焊点均出现了延性凹痕形态，这说明焊点的断裂方式为韧性断裂。

以上现象都可以根据IMC 层生长动力学进行分析。IMC 的形成和生长主要由焊盘金属镀层和液态焊料界面化学反应与元素的扩散共同决定。为了更好地描述增强剂Ni-MWCNTs 抑制IMC 层生长，图（a）展示了在等温老化过程中，复合焊点可能的扩散路径：路径1 中铜原子从扇贝峰向峰谷扩散，路径2 中铜原子从焊料向扇贝峰谷扩散，路径3 中铜原子从基板向IMC 层峰谷扩散，路径4 中铜原子从基板向扇贝峰扩散，路径5 中铜原子从焊料向扇贝峰扩散。一般来说，主要的扩散路径为1 和4。但是，Ni-MWCNTs 在焊层充当增强剂，阻止Cu 和Sn 原子的供应，这抑制了扩散路径2、3 和5。图（b）展示了不同纳米复合焊料抑制IMC 生长的情况。从图中可以观察到，增强剂Ni-MWCNTs 有效地抑制了原子的扩散，从而抑制了IMC 层的生长。此外，Ni 可以与Cu 和Sn 原子反应并形成金属化合物(Cu,Ni)6Sn5。

IMC 层生长动力学分析

目前，该团队正在进一步改进研究并提高半导体器件封装焊层的可靠性，致力于提高整个器件的封装可靠性。（翟鑫梦 邹军）

原始文献：

ZHAI X M,LI Y F,ZOU J,et al.Impact of different aging conditions on the IMC layer growth and shear strength of Ni-modified MWCNTs reinforced Sn-Ag-Cu composite solder[J].Soldering &Surface Mount Technology,2021.DO I:10.1108/SSMT-09-2021-0062