《Journal of Materials Research and Technology》：Interfacial Reactions between Sn–Ag Lead-Free Solders and Polycrystalline and Single-Crystal Copper
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随着焊点微型化趋势，界面金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）在整体焊点结构中的占比增加，使得界面反应与显微组织成为制约焊点性能的关键因素。多晶铜（Polycrystalline Copper）中晶界会干扰对界面反应规律的精确分析
随着焊点微型化趋势，界面金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）在整体焊点结构中的占比增加，使得界面反应与显微组织成为制约焊点性能的关键因素。多晶铜（Polycrystalline Copper）中晶界会干扰对界面反应规律的精确分析，而单晶铜（Single-Crystal Copper）可消除晶界干扰，揭示IMC的本征生长规律，在微焊点可靠性研究中具有不可替代的价值。本研究考察了Sn3.5Ag0.5Bi8In与Sn3Ag0.5Cu两种无铅焊料分别在260℃和285℃下，与多晶铜及(001)、(111)取向单晶铜在再流（Reflow）过程中及后续时效（Aging）反应中的界面反应。通过研究不同取向基底上界面IMC的形态演变与生长行为并进行对比分析，揭示了多晶铜/单晶铜焊盘对Sn-Ag系焊料/Cu界面IMC形态演变与生长行为的影响机制。
该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》。随着电子封装焊点不断微型化，界面金属间化合物（Intermetallic Compound，简称IMC，主要为Cu6Sn5和Cu3Sn）在焊点中所占比重上升，其形态与生长行为直接决定焊点可靠性。多晶铜（Polycrystalline Copper）含有大量随机分布的晶界，可提供快速扩散通道并干扰IMC形核与生长方向，使本征生长规律难以辨析；单晶铜（Single-Crystal Copper）无晶界干扰，利于揭示Cu-Sn IMC在Sn-Ag系无铅焊料/铜界面的本征成核、取向依赖生长及扩散控制机制。现有研究缺乏对多晶铜与不同取向单晶铜上Sn-Ag系及Sn-Ag-Bi-In四元无铅焊料界面反应系统的对比与机理解释，因此研究人员以多晶铜、(001)及(111)取向单晶铜为基板，选用Sn3Ag0.5Cu（SAC305）与Sn3.5Ag0.5Bi8In（SABI）两种无铅焊料开展再流焊及150℃等温时效实验，系统分析IMC形貌演变、厚度增长动力学及焊点内部Sn晶粒取向关系。
研究人员采用的主要关键技术方法为：以多晶铜片及(001)、(111)取向单晶铜块经线切割、逐级研磨抛光与超声清洗制备基板；将SAC305与SABI焊料制成BGA焊球，涂敷助焊剂后在热风再工作台上于260℃和285℃分别进行10 s、60 s、120 s再流焊；再流后部分样品于150℃恒温箱中时效5、10、20、40天；焊点经树脂镶嵌、剖光制取横截面，使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）观察界面显微组织，能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，简称EDS）分析IMC元素组成，电子背散射衍射（Electron BackScatter Diffraction，简称EBSD）表征Sn晶粒取向与晶界特征，并使用图像分析软件多点测量IMC平均厚度，拟合生长动力学方程X = (D·t)n求取时间指数n以判断生长控制机制。
3.1. SAC305焊料与多晶铜及单晶铜的界面反应（Interfacial Reactions of SAC305 Solder with Polycrystalline Copper and Single-Crystal Copper）
研究人员通过SEM顶视图与横截面观察发现，多晶铜上形成典型扇贝状（Scalloped）Cu6Sn5，晶粒大小不均，源于晶界阻碍定向生长并提供随机扩散路径；(001)单晶铜上Cu6Sn5呈棱柱状（Prismatic），相邻晶粒夹角约90°，受(001)面二维正交对称性引导沿?100?与?010?方向优先生长；(111)单晶铜上IMC也呈棱柱状，相邻晶粒夹角约60°，对应(111)密排面六重对称性与等效?110?方向优先扩散。随再流时间及温度升高，多晶铜上IMC层厚持续增加；单晶铜横截面上IMC呈脊状（Ridged）或棒状（Rod-like）带尖角形貌，尖角分别趋近90°（001）与120°（111），且随时间延长脊状特征更明显。表明基板晶体学取向通过约束Cu原子扩散方向主导IMC宏观形貌。
3.2. SABI焊料与多晶铜及单晶铜的界面反应（Interfacial Reactions of SABI Solder with Polycrystalline Copper and Single-Crystal Copper）
研究人员发现SABI再流后界面主相为Cu6Sn5、Cu3Sn及花状（Flower-like）Ag3(Sn,In)相（Bi偏析抑制垂直生长并促进侧向分支，In抑制粗化）。SABI因Bi、In降低熔点增大过冷度，IMC晶粒比SAC305更细小均匀。多晶铜上仍呈扇贝状；(001)单晶铜上早期为扇贝状后转棱柱状再转回扇贝状（长时Bi干扰定向生长），(111)单晶铜上呈脊状且随时间和温度脊角趋近120°。SABI在多晶铜上IMC平均厚度略小但高度起伏大，源于Cu6Sn5各向异性表面能使高能小晶粒被吞并（Ostwald熟化）。表明合金元素改变形貌演化时序但不改变基板取向对IMC棱柱化的诱导作用。
3.3. SABI焊料与多晶铜及单晶铜在时效过程中的界面反应（Interfacial Reactions of SABI Solder with Polycrystalline Copper and Single-Crystal Copper during the aging process）
研究人员对260℃×60 s再流样品进行150℃时效发现，初期IMC为扇贝状Cu6Sn5，随时效延长逐渐扁平化为层状（Lamellar）结构，晶界模糊，晶粒粗化（Ostwald熟化机制），同时界面处生成Cu3Sn层，Bi偏析抑制原子扩散减缓IMC过度生长。单晶铜上平面化进程快于多晶铜，IMC层厚增长更显著——无晶界使Cu原子沿晶格定向扩散更快，且Cu、Sn互扩散速率失配易在Cu/IMC界面产生Kirkendall孔洞。说明基板有无晶界影响时效阶段IMC增厚速率与平面化速度。
3.4. SAC305焊料与多晶铜及单晶铜在时效过程中的界面反应（Interfacial Reactions of SAC305 Solder with Polycrystalline Copper and Single-Crystal Copper during the aging process）
研究人员观察到SAC305时效演变规律与SABI相似（扇贝→层状，Cu3Sn生成，单晶铜上IMC更厚且平面化更快，出现Kirkendall孔洞），但无Bi、In抑制扩散故平面化时间更短，晶界消失更明显。单晶铜上棱柱状IMC在时效中逐渐转回扇贝状。表明合金元素延缓但不改变时效基本演化模式，单晶铜取向效应在长时时效中被热激活扩散削弱。
3.5. 焊料/铜界面反应的EBSD研究（EBSD Investigation on the Solder/Copper Interface Reaction）
研究人员通过EBSD分析发现：SAC305/多晶铜焊点Sn晶粒呈四种优势取向，以大角度晶界（High-Angle Grain Boundaries，简称HAGBs）为主并含部分小角晶界（Low-Angle Grain Boundaries，简称LAGBs）；SAC305/(001)单晶铜焊点Sn晶粒为两主取向且多为LAGBs（取向一致性高）；SAC305/(111)单晶铜焊点Sn晶粒呈两组取向、组间约60°差角并有LAGBs，判定为孪晶焊点（Twinned Solder Joint）；SABI/多晶铜焊点因Bi抑制Sn长大、In促多位置形核而呈多取向典型多晶结构；SABI/(001)单晶铜焊点为两主取向伴少量细晶且LAGBs占优，显示(001)单晶基板的取向约束引发Sn择优生长；SABI及SAC305在(111)单晶铜上形成的脊状Cu6Sn5基本为同一取向仅存微小转动，SABI焊点较SAC305更易形成多孪晶或完全多晶Sn组织。说明基板晶体学约束与合金元素共同调控焊点内部Sn晶粒织构。
3.6. 再流过程中界面IMC的生长动力学（Growth Kinetics of Interfacial IMCs during Reflow）
研究人员测得各体系IMC厚度并按X = (D·t)n拟合，SAC305/多晶铜n≈0.345，SABI/多晶铜n≈0.41，SABI/(001)单晶铜n≈0.41，SABI/(111)单晶铜n≈0.42，均处于1/3（晶界扩散控制）至1/2（体扩散/晶格扩散控制）之间，表明IMC生长总体受扩散控制。SAC305/多晶铜以晶界扩散为主，SABI体系因Bi、In促形核增多Sn晶粒与LAGBs/HAGBs混合分布，晶格扩散贡献增大，为晶界扩散与晶格扩散共同控制。各种形貌差异（扇贝、棱柱、脊状）源自基板取向、晶界分布及合金元素，而非生长机制根本不同。
讨论与结论翻译（取自Conclusions部分浓缩）：
铜基底晶体学取向对界面IMC形貌影响显著——SAC305在多晶铜上形成典型扇贝状Cu6Sn5，单晶基底上呈规则排列棱柱状Cu6Sn5，(001)Cu相邻晶粒夹角约90°，(111)Cu约60°，随焊接时间延长IMC晶粒粗化并由扇贝状转为棱柱状。SABI焊料再流时形成花状Ag3(Sn,In)相，单晶铜上Cu6Sn5呈脊状并随温度时间增强后转回扇贝状；Bi、In使IMC晶粒细化。时效中SABI焊点IMC趋层状且平面化较快，单晶铜上平面化更快、IMC生长率略高于多晶铜。EBSD显示单晶铜上脊状Cu6Sn5取向高度一致仅微小偏差，SABI焊点较SAC305更易形成多孪晶或多晶结构。动力学分析表明IMC生长遵循扩散控制机制，SAC305/多晶铜以晶界扩散为主，SABI焊点体系为晶界扩散与晶格扩散共同作用。研究结果表明SABI焊料具较低熔点、较高再流形核率及复杂工况下较好组织稳定性，可为先进电子封装高可靠焊点设计提供指导，在汽车电子及高性能电子设备中具有应用潜力。
