通过多道次摩擦搅拌加工，改善AA6061/AlFeCrCuMnNi高熵合金复合材料的微观结构，并提升其力学性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能

《Materials Chemistry and Physics》：Microstructural evolution and enhancement of mechanical, tribological, and corrosion properties in AA6061/AlFeCrCuMnNi high entropy alloy composites through multi-pass friction stir processing

Zn掺杂抑制Cu/In/Cu微凸点气孔和脆性IMC层形成，促进Cu-Zn短程有序，细化IMC颗粒并优化晶界分布，使剪切强度提升109%，为低温可靠3D封装提供新方案。

　　

袁泰来|林达伟|吴子友|李胤库|陈子旭|彭宗平|杜振功

国立清华大学材料科学与工程系，新竹30013，台湾

摘要

Cu/In/Cu微凸点结构由于其优异的延展性和导电性而成为一种具有吸引力的低温互连材料。然而，在回流焊接过程中，过量的Cu扩散常常会导致Kirkendall空洞和脆性的金属间化合物（IMC）层的形成。本研究探讨了在Cu基底中添加Zn如何改变界面反应、微观结构、界面完整性和机械性能。用含15 wt.% Zn的Cu替代顶层Cu可以抑制空洞的形成，并生成具有细化且圆润晶粒的Cu₁₁(In,Zn)₉ IMC层。TEM-EDX分析证实Zn在IMC内部均匀分布，且没有形成富Zn的屏障。晶粒的细化增加了晶界密度，提供了均匀分布的扩散路径，从而均匀化了Kirkendall空洞的分布并抑制了大空洞的聚合。因此，含15 wt.% Zn的Cu/In/Cu接头的剪切强度相比未掺杂的Cu/In/Cu接头提高了109%。断口分析进一步表明，断裂方式从由空洞平面控制转变为以晶界为主，表明裂纹偏转能力增强且粘接强度提高。这些结果表明，Zn促进了Cu–Zn的短程有序排列，细化了IMC微观结构，并稳定了原子扩散，从而整体提升了机械性能。简而言之，掺Zn的Cu基底为先进的3D集成提供了无空洞且热稳定性高的微接头。

引言

传统的基于SAC的焊料虽然在电子封装中得到广泛应用，但较高的回流焊接温度会导致严重的热变形、BEOL堆栈中层间电介质的剥离以及3D集成电路（IC）中粘合材料的降解[1]。此外，高温回流焊接带来的高能耗增加了整体制造成本。因此，降低焊接温度是减轻热应力并提高先进封装技术工艺可靠性的最有效策略之一。

铟（In）是一种熔点低、延展性、电导率和热导率优异且抗疲劳性强的金属[2]，[3,4]，已成为低温互连材料的潜在候选材料，特别是在需要承受低温或热机械循环的应用中[1]。然而，Cu和In之间的显著扩散率不匹配会导致界面Kirkendall空洞的形成和脆性微观结构的产生，从而显著降低接头可靠性[4]，[5]。在基于In的焊料/Cu系统中，过量的Cu扩散到In中会导致原始Cu/焊料界面附近空洞的积累。

多项研究表明，在Cu基底中引入Zn可以改变界面反应路径并抑制空洞的形成。在IMC和Cu–Zn基底之间形成Cu–Zn或富Zn的界面层可以有效作为扩散屏障，减少Cu向熔融焊料的迁移，从而抑制空洞的形成[6]，[7]，[8]。此外，Cu–Zn基底还被报道可以减少铟的消耗并[9]抑制Cu/In/Cu–Zn结构中的空洞扩展。尽管取得了这些进展，但Zn添加对Cu–Zn/In/Cu微凸点机械强度和微观结构演变的影响仍不够清楚，对空洞抑制机制的详细理解仍有所欠缺。

因此，本研究旨在阐明Zn掺杂在改变界面反应和增强基于In的微凸点机械性能中的作用。通过用含15 wt% Zn的Cu替代顶层Cu基底，系统地研究了微观结构的演变、扩散行为和机械响应。研究结果为Zn扩散引起的微观结构细化和空洞抑制效应提供了新的见解，为下一代3D IC架构中高可靠性、低温互连的设计提供了途径。

实验程序

实验步骤

为了制备测试结构，将一块20 μm厚的纯度为99.99%的铟箔（尺寸为1 × 1 mm²）放置在两个金属基底之间，形成Cu/In/Cu结构。下层基底为纯Cu箔（尺寸为2 × 2 × 0.4 mm³），上层基底为纯Cu或含15 wt% Zn的Cu（尺寸为2 × 10 × 1 mm³）。纯Cu（纯度99.9%）和含15 wt% Zn的Cu合金基底均从台湾Landon Metal Co., Ltd.购买。在回流焊接处理之前，

微观结构演变

如图1(a)所示，经过600秒的回流焊接后，Cu/In/Cu接头完全转化为金属间化合物（IMC），没有残留的铟焊料。在IMC层内出现了大量沿原始Cu/焊料界面平面区域排列的界面空洞。Tian等人[10]将这种平面空洞分布归因于Cu和In的扩散通量不均衡所引起的Kirkendall效应。

结论

本研究阐明了Zn添加对Cu/In/Cu微凸点界面反应、微观结构演变和机械可靠性的影响。当顶层Cu基底被含15 wt% Zn的Cu替代后，在180 °C回流焊接后形成了连续且晶粒细小的Cu₁₁(In,Zn)₉金属间化合物（IMC）层。TEM和EPMA分析证实Zn在IMC内部均匀分布，没有形成明显的富Zn屏障，表明Zn促进了Cu–Zn的短程有序排列。

CRediT作者贡献声明

袁泰来：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学设计，实验研究，概念构思。林达伟：数据验证，正式分析。李胤库：资源准备。吴子友：资源准备。彭宗平：撰写 – 审稿与编辑。陈子旭：资源准备。杜振功：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢台湾国家科学技术委员会在合同编号114-2811-E-007-032项下的财政支持。