3D封装In-Sn基焊点组织演变及性能调控

申报人：梁思雨申报日期：2025-01-02

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

3D封装In-Sn基焊点组织演变及性能调控学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

材料类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

制备满足低温键合，高温服役特性的焊点是当今电子封装领域密切关注的焦点问题。向钎料中添加增强颗粒，可以改变焊点相组成，从而提升焊点的可靠性。本项目采用3D封装焊点制备技术制备了叠层式In-Sn基复合钎料封装焊点，并对焊点的显微组织形貌、界面IMC、剪切性能、断口形貌及断裂位置进行了研究，评价焊点的可靠性。

负责人曾经参与科研的情况:

参与指导教师横向课题

指导教师承担科研课题情况:

国家自然科学基金1项，广西科技重大专项子课题2项，企业委托横向课题1项，重点实验室开放基金2项

指导教师对本项目的支持情况:

企业横向课题为依托

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	梁思雨	材料科学与工程学院	金属材料工程	2022	项目负责人	第一主持人
2	韦晶艺	材料科学与工程学院	高分子材料与工程	2022	商业拓展	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	王春霞	材料科学与工程学院	否	第一指导教师
2	曲怀仁	材料科学与工程学院	否	指导教师

立项依据

研究目的:

本项目拟采用瞬时液相键合（TPL）技术制备In-Sn-xMo颗粒复合钎料焊点，通过向 In-Sn钎料中添加不同含量的Mo颗粒，以调控界面IMC的生长，进而提升焊点的剪切性能，探讨提升 3D 封装 In-Sn 基钎料焊点高温可靠性的方式，以提高电子封装中焊点的可靠性和稳定性。

研究内容:

1）瞬时液相键合工艺参数（温度、时间和压力）对焊点强度的影响，研究工艺参数对 In-Sn 复合钎料焊点剪切强度的影响，优化工艺参数。

2）在 In-Sn 钎料中条添加不同质量分数的 Mo 颗粒，研究 Mo 颗粒含量对 In-48Sn复合钎料焊点剪切强度变化规律、断口的形貌演变规律及断裂机制，得到焊点综合性能较为优异 In-Sn-xMo 颗粒复合钎料。

国、内外研究现状和发展动态:

随着电子信息时代的快速发展，新型电子产品层出不穷，电子封装行业蓬勃发展。电子封装互联技术作为影响电子设备可靠性的重要一环被愈发重视，钎焊是电子封装中的关键技术，根据钎焊温度是否高于 450℃，钎焊种类被分为软钎焊和硬钎焊。由于封装电路板中有机材料存在，通常钎焊温度不大于 280℃，因此现代电子封装行业通常选用软钎焊作为电子封装连接工艺。Sn-Pb 合金钎料因其良好性能，通常被选作连接材料，然而我国在“十三五”发展规划中提出的“中国制造 2025”及近二十年全球趋势表明绿色制造时代已经到来。因 Pb 对人体有害及环境污染等问题，传统的 Sn-Pb 钎料合金及相应的工业体系，已难以适应绿色环保时代的需求。因此，新型无铅钎料如何提高性能以及探究其深层次界面反应机理成为当下电子封装领域亟待研究的课题。

在众多的无铅钎料中 In-Sn 系钎料凭借其优良延展性、抗热疲劳性能及较低的熔点，备受学者们的青睐，具有广阔的应用前景。然而在微电子封装互联结构生产及服役过程中发现，现有的 In-Sn 系钎料性能，不符合先进微电子封装技术对高性能钎料的需求目标，制约其进一步发展。科研工作者发现将合金元素、增强颗粒与钎料进行复合，可以提高钎料合金的润湿性、机械性能；细化钎料内部晶粒；抑制封装界面 IMC 层厚度，提高焊点可靠性。

Liu 等人使用不同孔隙率泡沫 Ni 强化 In-48Sn 钎料，研究结果表明，钎料强化效果主要归因于泡沫 Ni 的承载能力，镍骨架的存在抑制裂纹的产生，阻止裂纹的扩展；50%/70%/80%/90%Ni-In48Sn 四种复合钎料中，50%Ni-In48Sn表现出最大拉伸强度 62.12 MPa，该数值为泡沫镍及 In-48Sn 基体强度叠加和的2.69 倍，50%Ni-In48Sn/Al 焊接接头表现出最大剪切强度 34.34 MPa，高出In-48Sn/Al 焊接接头剪切强度 335.2%。Han 等人研究了 In-Sn-x Cu/Cu 接头的微观结构演变和剪切强度变化规律，结果表明，该钎料在 Cu 基板上的润湿角和 Cu含量呈负相关；IMC 层由 Cu6(In,Sn)5 和 Cu(In,Sn)2 构成；In-Sn-0.2Cu/Cu 接头剪切强度表现较好，剪切强度为 16.5MPa。

Yang 等人通过 TLP 技术研究了 260℃不同键合时间下 Cu/In-Sn-20Cu/Cu 焊点微观结构演化和剪切强度变化规律问题，结果表明，IMC 层由 Cu6(In,Sn)5 和 Cu3(In,Sn)构成，随着键合时间延长，钎料内原位反应区 Cu6(In, Sn)5 开始向 Cu3(In,Sn)转变，焊点剪切强度呈先上升后下降趋势，键合时间 15 min 时，剪切强度为 26.54 MPa。Yang 等人研究发现 Mo 可以显著抑制 Sn-58Bi 焊点中 Cu6Sn5 层在老化过程中的生长，但是 Mo 对 Cu3Sn 化合物层影响较少。Yang 等人研究发现在Sn-58Bi 钎料中添加 Mo 颗粒可以细化和均匀钎料的微观组织，提高钎料合金硬度。还研究发现 Sn-58Bi 钎料中加入 Mo 可以提高钎料润湿性，同时改变焊点断裂模式，Sn-58Bi-0.25Mo 焊点断裂模式为韧脆混合断裂。因此，本项目通过 Mo 对 In-Sn 基钎料进行强化，对其焊点的的显微组织形貌、界面 IMC、剪切性能、断口形貌及断裂位置进行了研究，对研究和制备新型无铅复合钎料有着重要指导意义。

创新点与项目特色:

制备满足低温键合，高温服役特性的焊点是当今电子封装领域密切关注的焦点问题。为了解决 In-Sn 基钎料焊点内部易产生孔洞导致力学性能不足的缺陷。本项目以 In-Sn 钎料为母材，采用 TLP 技术制备了颗粒复合钎料焊点。通过向In-Sn 钎料中添加 Mo 颗粒打破颗粒复合钎料焊点内部相平衡，调控界面 IMC 的生长，进而提升焊点的剪切性能，探讨提升 3D 封装 In-Sn 基钎料 TLP 焊点高温可靠性的方式。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

1. 技术路线：

2. 拟解决的问题：

采用瞬时液相键合技术制备 Mo 颗粒复合 In-Sn 基钎料焊点，调控界面 IMC 的生长，解决 In-Sn 基钎料焊点内部易产生孔洞导致力学性能不足的缺陷。

3. 预期成果：

发表核心及以上期刊论文 1 篇，撰写研究报告 1 份。

项目研究进度安排:

1.第 1-2 个月：文献调研和实验设计，制备不同 Mo 含量的 In-Sn 基钎料焊点。

2.第 3-6 个月：进行组织性能分析。

3.第 7-10 个月：撰写研究论文并发表。

4.第 11-12 个月：撰写研究报告，准备项目结题。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

发现 Mo 的添加可以显著改善 Sn-Ag 基钎料的熔点和润湿性，且在一定范围内可以提高焊点的力学性能。研究了 Mo 含量对 Sn-Ag 基钎料微观组织及接头性能的影响，发现适量 Mo 元素的加入使钎料基体内晶粒尺寸变得细化而均匀，降低了界面 IMC 的生长速率。对钎料的微观组织和界面化合物的生长也有了初步的了解，为后续深入研究奠定了基础。相关的研究成果已投 SCI 期刊论文 1 篇。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

（1）已具备的条件

实验设备：已具备制备钎料样品所需的设备，包括熔炼炉、铸造设备等，以及用于性能测试的光学显微镜、扫描电子显微镜和电子万能试验机等。研究基础：团队已对 In-Sn 基钎料进行了初步研究，掌握了基本的制备和测试方法，为深入研究 Mo 含量对钎料性能的影响打下了良好的基础。文献资料：项目团队已收集了大量相关文献资料，包括国内外对 Mo 含量对钎料性能影响的研究进展。

（2）尚缺少的条件及解决方法

无

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	10000.00	无	7000.00	3000.00
1. 业务费	7000.00	无	4000.00	3000.00
（1）计算、分析、测试费	4000.00	用于显微组织观察、力学性能测试等费用。	4000.00	0.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	0.00	无	0.00	0.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	3000.00	用于论文发表费用。	0.00	3000.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	3000.00	用于实验过程中原材料、耗材的购买。	3000.00	0.00

结束