Ni合金化的Cu@Sn核壳粉末实现了高效且可靠的Cu-Cu热压连接（TLPS）：Ni加速了Cu?Sn?的生长，同时抑制了Cu?Sn的形成

《Journal of Alloys and Compounds》：Ni-Alloyed Cu@Sn Core-Shell Powders Enabling Highly Efficient and Reliable Cu-Cu TLPS Bonding: Ni-Accelerated Cu?Sn? Growth with Concomitant Cu?Sn Inhibition

Sn包覆Cu-6Ni合金粉末的制备及其在瞬态液相烧结中的性能优化研究，系统分析了Ni对Cu-Sn液相扩散过程的影响机制，发现Ni能抑制Cu?Sn生长并促进Cu?Sn?相形成，使烧结时间缩短80%，接头室温剪切强度达23.61 MPa，高温剪切强度21.92 MPa，断裂韧性1.816 MPa·m1/2，热老化后强度保持率提高至87.3%。

　　

王万利|彭贤文|叶正|张子博|黄继华

北京科技大学材料科学与工程学院，中国北京100083

摘要

本文制备了含有60 wt.% 锡的Cu-6Ni合金粉末（记为(Cu-6Ni)@Sn粉末），用于铜的瞬态液相烧结（TLPS）连接。系统研究了接头的微观结构、机械性能和热可靠性。分析了镍（Ni）对加速Cu-Sn TLPS过程和提高接头热老化可靠性的影响及其相关机制。结果表明，镍通过抑制Cu?Sn的形成并促进Cu?Sn?的生长来增强反应动力学。在300 °C下烧结30分钟后，锡完全转化为Cu-Ni-Sn金属间化合物（IMCs），结合层主要由稳定的六方(Cu,Ni)?Sn?相和残留的Cu-6Ni合金颗粒组成。这种烧结时间比使用Cu@Sn核壳粉末所需的时间短80%。用(Cu-6Ni)@Sn粉末制备的接头在室温（RT）下的剪切强度、高温（350 °C）下的剪切强度以及断裂韧性分别为23.61 MPa、21.92 MPa和1.816 MPa·m1/2，分别比使用Cu@Sn粉末制备的接头提高了14.2%、19.3%和83.8%。在350 °C下老化360小时后，(Cu-6Ni)@Sn接头的室温剪切强度仍保持在20.6 MPa。与Cu@Sn基接头相比，其强度下降幅度从25.3%降低到12.7%，显示出显著提高的高温老化可靠性。

引言

宽禁带（WBG）半导体材料在高温下具有比传统硅基半导体更优越的物理稳定性。这一优势使得宽禁带功率器件在智能电网、航空系统、太空探测器和电动汽车等应用中具有很大潜力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，这类器件的最大工作温度受到半导体材料的热阻和封装结构的影响。目前的封装技术——包括材料和工艺——无法满足宽禁带器件在恶劣环境下的高温、高频和高功率运行要求。因此，先进的封装解决方案对于确保稳定的高温性能和充分利用WBG半导体的材料优势至关重要。

近年来，电子封装领域在互连技术方面取得了显著进展，包括激光键合[6]、超声波辅助焊接[7]、[8]、[9]、[10]、磁场辅助键合[11]、热梯度键合[12]和瞬态液相烧结（TLPS）键合。TLPS键合因其成本效益高、工艺简单、键合温度低和服务温度高等特点而受到广泛关注。基于此，开发了多种TLPS键合材料，如Ni-Sn[14]、[15]、[16]、[17]、Ag-Sn[18]、[19]、Ag-In[20]、Cu-Sn[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]和Cu-In[30]。其中，Cu-Sn体系因其低成本、高热/电导率[31]和优异的机械性能[32]、[33]而在电子封装中尤为有前景。然而，Cu-Sn TLPS键合过程通常需要较长的等温固化时间才能形成耐高温的接头，这限制了其在高温封装中的应用。

目前，人们已经付出了大量努力来缩短Cu-Sn TLPS键合的加工时间。例如，超声波辅助TLPS可以促进固/液界面反应，从而加快反应速率。Pan等人[25]使用这种方法在250°C下10秒内实现了Cu?Sn接头的完全形成；然而，超声波能量可能会损坏集成电路[35]。另一种方法是减小颗粒尺寸以增加反应表面积，从而缩短键合时间。Ishizaki等人[26]使用混合Cu/Sn纳米颗粒在300°C下键合Cu基底30分钟，但由于混合不均匀和纳米颗粒氧化，导致接头剪切强度低于10 MPa。为了减轻这些缺陷，人们开发了核壳结构粉末[21]、[22]、[23]、[24]、[27]、[36]。Yoon等人[27]使用Cu@Sn核壳粉末在300°C下键合30分钟，实现了约40 MPa的剪切强度接头。同样，Hu等人[36]在250°C下对压缩的Cu@Sn预成型体施加0.5 MPa的压力进行8分钟烧结，制备了无缺陷的Cu-Cu接头。然而，在现有的研究中，Cu@Sn核壳粉末仅基于置换反应原理制备。在这些过程中，一旦Cu粉末被锡完全覆盖，置换反应就会停止，导致锡镀层的厚度有限。这一限制使得TLPS键合过程中液相不足，需要施加高压（>10 MPa）或对预成型体进行压实以实现微观结构致密化。

在我们之前的工作中，使用TiCl?作为还原剂通过化学镀层制备了高锡含量的Cu@Sn核壳粉末，用于TLPS键合[23]、[24]。尽管这些粉末能够在低键合压力下实现微观结构致密化，但过程仍需要较长时间。因此，尽管在加速反应速率或降低工艺压力方面取得了进展，但在同时满足低压和短时间条件下实现可靠的Cu-Sn TLPS接头仍然具有挑战性。实际上，除了效率限制外，还有两个根本性问题阻碍了Cu-Sn TLPS的应用：i) 键合/老化过程中Cu?Sn金属间化合物的生长会增加界面孔隙率，降低接头可靠性[24]、[29]；ii) Cu?Sn?的多态转变会导致2.15%的体积变化，在结合层中产生内应力，降低接头可靠性[34]。到目前为止，尚未找到有效的解决方案来解决这些问题。

在本研究中，通过化学镀层制备了(Cu-6Ni)@Sn粉末用于TLPS键合，并研究了镍对Cu/Sn界面反应行为的影响。对比分析了使用(Cu-6Ni)@Sn粉末和传统Cu@Sn粉末制备的接头在微观结构、机械性能和可靠性方面的差异。揭示了镍抑制Cu?Sn生长并提高Cu-Sn TLPS键合效率的机制。

材料与方法

使用真空感应熔炼炉（ZXF-0.01）和高纯度（99.99%）的Cu和Ni锭材，制备了Cu-xNi（x=0, 1, 5, 6和10 wt.%）合金。为了研究镍对Cu/Sn界面反应行为的影响，将五种Sn/Cu-xNi反应对在300 °C下回流120分钟。图1显示，随着镍含量的增加，界面(Cu,Ni)?Sn层的厚度减小，在含有6 wt.%镍的Cu-Ni合金中界面层完全消失。

(Cu-6Ni)@Sn粉末的微观结构

图3(a)和(b)分别展示了原始Cu-6Ni粉末和(Cu-6Ni)@Sn粉末的形态。化学镀层后，Cu-6Ni粉末表面覆盖了锡，(Cu-6Ni)@Sn粉末具有光滑的球形结构（图3(b)）。XRD图谱（图3(e)）显示，制备的(Cu-6Ni)@Sn粉末中仅含有Cu和Sn。图3(c)和(d)展示了(Cu-6Ni)@Sn粉末的截面微观结构。EDS结果（图3(f)和表1揭示了...

结论

根据研究结果，得出以下结论：

通过使用(Cu-6Ni)@Sn粉末进行TLPS键合，实现了致密且耐高温的Cu-Cu接头。合金元素镍通过抑制Cu?Sn的生长并加速Cu?Sn?的生长，提高了Cu-Sn TLPS过程的键合效率。在300 °C下烧结30分钟后，锡被消耗完毕，结合层主要由稳定的六方Cu?Sn?结构组成。

作者贡献声明

黄继华：可视化、监督、项目管理。叶正：资源提供。张子博：软件开发。王万利：撰写初稿、实验研究、概念构思。彭贤文：资源提供、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

王万利和彭贤文对这项工作做出了同等贡献。该工作得到了国家自然科学基金（项目编号52205327和51474026）以及北京科技大学青年教师跨学科研究项目（中央高校基本科研业务费，项目编号FRF-IDRY-24-019）的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。