Giunto Cu3Sn basato sul legame transitorio in fase liquida del nucleo Cu@Cu6Sn5

Jul 23, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 668 (2023) Citare questo articolo

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Con lo sviluppo di componenti elettronici ad alta integrazione e ad alta potenza, la mancanza di materiali di collegamento dei chip corrispondenti in grado di resistere alle alte temperature ha rappresentato una sfida. In questo manoscritto, particelle bimetalliche core-shell Cu@Cu6Sn5 (circa 1 μm di diametro) vengono preparate e introdotte con successo come nuovo materiale di saldatura per l'imballaggio di dispositivi di potenza per ottenere un giunto saldante interamente IMC Cu3Sn. Il giunto era costituito principalmente da grani equiassici di Cu3Sn e da una piccola porzione di grani colonnari di Cu3Sn. Nella crescita di tipo colonnare, Sn è la specie diffusiva dominante, che deriva dall'esaurimento di Sn in Cu6Sn5. Il Cu6Sn5 impoverito viene trasformato in Cu3Sn colonnare. Nella crescita di tipo equiassico, il Cu è la specie diffusiva dominante. Cu reagisce con Cu6Sn5 per far crescere uno strato Cu3Sn. Questa conclusione è stata confermata dalla relazione di orientamento. I grani equiassici di Cu3Sn nucleati all'interfaccia Cu/Cu3Sn hanno una relazione di orientamento con il substrato di Cu. I grani colonnari di Cu3Sn all'interfaccia Cu6Sn5/Cu3Sn hanno una relazione di orientamento con Cu6Sn5.

Con lo sviluppo dell'elettronica ad alta integrazione e ad alta potenza, ci sono stati rapidi progressi nella fabbricazione di nuovi dispositivi di potenza basati su SiC, GaN e altri materiali semiconduttori ad ampio gap di banda. È stato scoperto che i dispositivi di potenza basati su SiC funzionano fino a 600 °C1,2,3, ma la mancanza di materiali di collegamento dei chip corrispondenti in grado di resistere alle alte temperature ha rappresentato una sfida. Temperature di riflusso eccessive causano uno stress termico elevato e possono danneggiare altri dispositivi sensibili alla temperatura nel sistema. Pertanto, il materiale di saldatura dovrebbe preferibilmente funzionare in condizioni di bassa temperatura e di riflusso breve, e i giunti di saldatura risultanti possono resistere a temperature di servizio più elevate4,5,6.

Le reazioni metallurgiche dei sistemi Cu-Sn sono state ben studiate per molti anni7,8,9. Implica la formazione di due tipi di composti intermetallici (IMC): Cu6Sn5 e Cu3Sn. Cu3Sn ha proprietà meccaniche relativamente buone. È superiore allo Sn in termini di temperatura di fusione, modulo di Young e durezza. Inoltre, Cu3Sn ha una tenacità alla frattura di 5,72 MPa/m, che è il doppio del valore di Cu6Sn5 (2,80 MPa/m). Qiu et al.10 preparano singoli giunti di saldatura Cu3Sn utilizzando la placcatura in Cu con pellicole di Sn in un solo modo mediante riflusso a 260 ℃ per 24 ore (pressione ausiliaria 1 MPa) con uno spessore del giunto di circa 10 μm. Al contrario, è stata utilizzata la rifusione a 340 ℃ per 3 minuti (pressione ausiliaria di 9,6 MPa), ma lo spessore del giunto era di soli 3 μm. Altri hanno lavorato in modo simile, utilizzando una struttura a sandwich (Cu/Sn/Cu) per ottenere giunti di saldatura Cu3Sn mediante il metodo TLP (fase liquida transitoria), che richiede l'applicazione assistita di pressione o ultrasuoni o corrente9,11,12,13. Tali giunti di saldatura hanno spesso uno spessore di pochi micron (meno di 10 μm). Per l'affidabilità termo-meccanica del giunto, è auspicabile un certo spessore (più di 15 μm) del giunto per alleviare la concentrazione delle sollecitazioni4,5,6.

Cu3Sn è un composto intermetallico con molteplici morfologie. Negli ultimi anni sono stati condotti alcuni studi sulle diverse morfologie del Cu3Sn. Il Cu3Sn equiassico è attualmente il grano più studiato. I giunti di saldatura di Cu3Sn ottenuti con il metodo convenzionale TLP (struttura sandwich Cu/Sn/Cu) sono composti da grani colonnari grossolani di Cu3Sn (Fig. 1). Studi precedenti hanno concluso che durante il processo di saldatura, i grani di Cu3Sn vengono prima nucleati in una forma isometrica fine, questo perché non c'è abbastanza tempo e spazio affinché i grani di Cu3Sn di forma complessa emergano. I grani di Cu3Sn crescono semplicemente in una forma equiassiale, questo perché è necessaria l'energia più bassa per crescere quando ai grani di Cu3Sn viene impedito di crescere nella loro direzione di crescita preferita. Man mano che i grani equiassici di Cu3Sn raggiungono una dimensione critica, gli atomi di Cu lungo l’interfaccia Cu3Sn/Cu6Sn5 parteciperanno alla reazione interfacciale per formare Cu3Sn, scegliendo di attraversare i piani paralleli di impilamento denso dei grani di Cu6Sn5 per ottenere la minima resistenza alla diffusione. Di conseguenza, si formano grani colonnari di Cu3Sn, il che significa che i grani di Cu3Sn cambiano da una forma equiassica a una forma colonnare. Tuttavia, a causa delle diverse distanze di diffusione, gli atomi di Cu si diffondono in Cu6Sn5 formando Cu3Sn lungo l'interfaccia tra Cu6Sn5 e la parte superiore del Cu3Sn colonnare. Di conseguenza, i grani colonnari di Cu3Sn continuano a crescere man mano che procede la saldatura, caratterizzata da un aumento maggiore in lunghezza che in larghezza7,8,12,14.