适用于先进电子封装技术的低熔点高熵钎料SnPbInBiSb与铜基板的界面反应

随着人工智能和物联网技术的迅速发展，电子器件多功能化、微型化的需求日益高涨，具有高密度互连结构的三维封装技术可以很好地解决这些问题。在三维封装中芯片通过硅通孔、微凸点、C4焊点以及BGA焊点进行垂直堆叠互连。为了提升垂直互连的可靠性，三维封装中采用梯度焊点进行封装。通常将焊点按照工艺温度分成3个层级，第一、二、三级焊点的工艺温度分别约为300℃、200℃、150℃。Sn-Bi共晶钎料作为常见的低温焊料，有望运用在第三级焊点中，但Sn-Bi共晶钎料焊点脆性大且抗热疲劳性差，焊点易失效。业界亟需低温高可靠性钎料替代Sn-Bi共晶钎料，提升低温焊点的长期服役可靠性。

哈尔滨工业大学田艳红教授团队将高熵合金的概念引入电子封装用钎料设计中，设计并开发了一种新型低熔点高熵合金钎料，并对其基本性能及焊接界面行为进行了初步探索。钎料中常见元素多为Sn、Pb、Bi、In、Sb、Zn、Cu等，在进行钎料设计时既要满足高熵合金的基本条件同时也要考虑各种元素对钎料性能的影响。在此基础上，初步设计出以Sn、Pb、Bi、In和Sb元素为主，各元素等原子比例配比的高熵钎料，并用高纯金属进行多次熔炼，制备成合金钎料。

研究发现，SnPbInBiSb高熵钎料具有较低的熔点，约为112.8℃（如图1所示），从图2的XRD结果中可见，钎料的相组成较为简单。在180℃下回流1min后，润湿角大约为39.8°（见图3），可见该钎料具有较好的润湿性。之后制备了Cu/SnPbInBiSb/Cu三明治结构焊点，并对其界面形貌进行了表征，焊接界面的元素分布如图4所示，在回流1min后界面IMC厚度不超过1μm。且可以看到元素的互扩散不明显，Cu向钎料基体中扩散得很少，同时钎料元素也很少向Cu基板中扩散。高熵合金中的迟滞扩散效应和晶格畸变效应明显抑制了界面处原子的扩散行为，从而阻碍了界面上IMC的形成和生长。总体而言，SnPbInBiSb作为一种新型的高熵钎料可以有效阻碍界面上IMC的形成，从而可以潜在地提升电子器件的可靠性。

图1 钎料熔点

图2 钎料相组成

图3 钎料润湿性

图4 焊接界面元素分布

课题组未来将继续设计、研究无铅型低熔点高熵钎料，并进一步验证无铅高熵钎料在封装应用中的可靠性行为及服役寿命。（王帅，田艳红）

原始文献：

WANG S, FENG J Y, WANG S, et al. Interfacial reaction between novel high entropy alloy SnPbInBiSb and Cu substrate[J]. Materials Letters, 2022, 325: 132901.

田艳红

哈尔滨工业大学长聘二级教授，现任先进焊接与连接国家重点实验室副主任，国家级高层次人才计划入选者、国家优秀青年基金获得者、教育部新世纪优秀人才入选者、国际焊接学会（IIW）新兴微纳加工技术分会主席、国际电子封装协会（IMAPS）会刊Journal of Materials Engineering and Performance副主编、中国机械工程学会焊接分会常务委员、中国电子学会电子制造与封装分会电子封装专委会理事。主要从事电子封装技术与可靠性、柔性电子材料与器件方面的研究工作，主持国家自然科学基金项目6项、其他科研项目7项、行业合作项目6项，近年来在Advanced OpticalMaterials, ACS Nano, Cell Reports Physical Science, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials&Interfaces, Journal of Materials Chemistry C, Journal of Materials Science&Technology, Scripta Materialia等期刊发表多篇相关论文，发表主要学术论文290余篇。