Соединение Cu3Sn на основе переходной жидкофазной сварки сердцевины Cu@Cu6Sn5

May 30, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 668 (2023) Цитировать эту статью

677 Доступов

Подробности о метриках

С развитием электроники с высокой степенью интеграции и мощной электроникой отсутствие подходящих материалов для подключения чипов, способных выдерживать высокие температуры, стало проблемой. В этой рукописи биметаллические частицы ядро-оболочка Cu@Cu6Sn5 (диаметром около 1 мкм) успешно приготовлены и внедрены в качестве нового припоя для упаковки силовых устройств для получения паяного соединения, полностью выполненного из IMC Cu3Sn. Соединение состояло в основном из равноосных зерен Cu3Sn и небольшой части столбчатых зерен Cu3Sn. При росте столбчатого типа Sn является доминирующей диффузионной частицей, которая возникает в результате истощения Sn в Cu6Sn5. Обедненный Cu6Sn5 превращается в столбчатый Cu3Sn. При равноосном росте Cu является доминирующей диффузионной частицей. Cu реагирует с Cu6Sn5, образуя слой Cu3Sn. Этот вывод был подтвержден ориентационными соотношениями. Равноосные зародыши зерен Cu3Sn на границе раздела Cu/Cu3Sn имеют ориентационную связь с медной подложкой. Столбчатые зерна Cu3Sn на границе раздела Cu6Sn5/Cu3Sn имеют ориентационную связь с Cu6Sn5.

С развитием высокоинтегральной и мощной электроники произошел быстрый прогресс в производстве новых силовых устройств на основе SiC, GaN и других полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной. Было обнаружено, что силовые устройства на основе SiC работают при температуре до 600 °C1,2,3, но отсутствие соответствующих материалов для подключения чипов, которые могли бы выдерживать высокие температуры, было проблемой. Чрезмерные температуры оплавления вызывают высокую термическую нагрузку и могут повредить другие чувствительные к температуре устройства в системе. Таким образом, припой предпочтительно должен работать в условиях низких температур и кратковременного оплавления, а полученные паяные соединения могут выдерживать более высокие рабочие температуры4,5,6.

Металлургические реакции систем Cu–Sn хорошо изучены на протяжении многих лет7,8,9. Он предполагает образование двух типов интерметаллидов (ИМС): Cu6Sn5 и Cu3Sn. Cu3Sn имеет относительно хорошие механические свойства. Он превосходит Sn по температуре плавления, модулю Юнга и твердости. Кроме того, Cu3Sn имеет вязкость разрушения 5,72 МПа/м, что вдвое превышает значение Cu6Sn5 (2,80 МПа/м). Цю и др.10 готовят одиночные паяные соединения Cu3Sn с использованием покрытия Cu пленками олова одним способом путем оплавления при 260 ℃ в течение 24 часов (вспомогательное давление 1 МПа) с толщиной соединения около 10 мкм. В другом случае использовалось оплавление при 340 ℃ в течение 3 мин (вспомогательное давление 9,6 МПа), но толщина шва составляла всего 3 мкм. Другие работали аналогичным образом, используя сэндвич-структуру (Cu/Sn/Cu) для получения паяных соединений Cu3Sn методом TLP (переходной жидкой фазы), который требует вспомогательного приложения давления, ультразвука или тока9,11,12,13. Такие паяные соединения часто имеют толщину всего несколько микрон (менее 10 мкм). Для термомеханической надежности соединения желательна определенная толщина соединения (более 15 мкм) для снижения концентрации напряжений4,5,6.

Cu3Sn представляет собой интерметаллическое соединение с разнообразной морфологией. В последние годы было проведено несколько исследований различной морфологии Cu3Sn. Равноосное Cu3Sn в настоящее время является наиболее изученным зерном. Паяные соединения Cu3Sn, полученные традиционным методом TLP (сэндвич-структура Cu/Sn/Cu), состоят из крупных столбчатых зерен Cu3Sn (рис. 1). Предыдущие исследования показали, что в процессе пайки зерна Cu3Sn сначала зарождаются в тонкой изометрической форме, потому что для появления зерен Cu3Sn сложной формы недостаточно времени и места. Зерна Cu3Sn просто растут, принимая равноосную форму, потому что для роста требуется наименьшая энергия, когда зернам Cu3Sn не дают расти в предпочтительном направлении роста. Когда равноосные зерна Cu3Sn вырастут до критического размера, атомы Cu вдоль границы раздела Cu3Sn/Cu6Sn5 будут участвовать в межфазной реакции с образованием Cu3Sn, предпочитая пересекать параллельные плотные плоскости упаковки зерен Cu6Sn5 для получения наименьшего диффузионного сопротивления. В результате образуются столбчатые зерна Cu3Sn, а это означает, что зерна Cu3Sn переходят от равноосной формы к столбчатой. Однако из-за различных диффузионных расстояний атомы Cu диффундируют в Cu6Sn5, образуя Cu3Sn вдоль границы раздела между Cu6Sn5 и верхней частью столбчатого Cu3Sn. В результате по ходу пайки продолжают расти столбчатые зерна Cu3Sn, характеризующиеся большим увеличением длины, чем ширины7,8,12,14.