基于Sn-3Ag-Nb/Cu界面反應的綜合實驗教學改革與實踐*

郭兵鋒，孫曰娜

(1 宜春學院物理科學與工程技術學院，江西 宜春 336000；2 宜春學院馬克思主義學院，江西 宜春 336000)

隨著“健康中國”的建設和健康知識的不斷普及，人們的健康意識不斷加強，更加追求自身健康，注重品質生活。在這種大背景下，全世界范圍內已開始禁止含Pb釬料的使用，無鉛釬料開始成為主流綠色釬料。常用的無鉛釬料是在Sn中加入一些合金元素開發(fā)出來的[1]，例如Sn-Ag系、Sn-Cu系，以及Sn-Ag-Cu系等，或稀土元素(如Nb[2])。目前，在先進封裝技術(3D釬焊技術)中，Sn基釬料仍是主要的互連材料，焊料和基板在相關工藝參數下采用釬焊回流進行液固界面反應，產生金屬間化合物(IMC)來實現(xiàn)連接，這一過程是決定半導體器件服役性能和可靠性的基礎問題，對于電子器件的相互連接很重要。但IMC具有本征脆性，其形貌及分布對封裝可靠性產生較大的影響[1-2]。

實驗教學是培養(yǎng)高校學生實踐能力和創(chuàng)新精神的重要手段，也是學生通過理論運用來解決實際問題的過程[3-5]。該實驗通過冶金熔煉所得的Sn-3Ag-Nb為釬料，在助焊劑的作用下與Cu進行界面反應獲得Sn-3Ag-Nb/Cu焊點，并對其微觀形貌及組織結構進行表征，分析界面反應的擴散機制。此實驗有助于學生對微觀擴散機制的理解，掌握冶煉設備及表征設備的實驗操作，提升學生的創(chuàng)新思維和實踐動手能力，并拓展學生視野，有助于理解該領域的研究進展。

1 實驗教學目的

(1)了解釬焊焊接原理，無鉛釬料的分類、制備方法；

(2)學習回流焊爐、SEM等設備的操作技能及原理；

(3)學習和使用Oringin、Photoshop CS6等處理和分析數據的軟件；

(4)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和動手能力以及團隊協(xié)作精神。

2 實驗教學原理

在設定工藝參數(釬焊時間：10～120 s；溫度：250～300 ℃；冷卻方式：高壓吹掃、水冷、空冷和爐冷)下無鉛釬料與多晶99.95%的銅基板(100 μm，使用前用5vol% HCL水溶液去除氧化層)在松香助焊劑的潤濕作用下發(fā)生界面反應，生成金屬間化合物(主要為Cu6Sn5相，還有非常薄的層狀Cu3Sn相及附著顆粒狀的Ag3Sn相)。

3 實驗教學內容設計

3.1 無鉛Sn-3Ag-Nb釬料的制備

將純Sn、Ag與Nb粉按96∶3∶1的百分質量比進行機械混合，之后真空封裝于石英玻璃管中，將石英管放入真空爐(真空度為10-4Pa)中，再以10 ℃/min的升溫速度升溫到550 ℃，保溫5 h之后以10 ℃/min的降溫速度降溫到室溫取出備用。

3.2 焊球的制備

將冶煉所得的Sn-3Ag-Nb釬料棒在對輥軋片機的擠壓作用下，壓成100 mm厚的薄片。之后利用3 mm直徑的打孔器打孔，將打孔的圓柱薄片放在涂有松香助焊劑的純Ti片上，釬料薄片在表面張力作用下熔化收縮為小球，將制備的小球放入盛有分析純的酒精中超聲震動清洗，之后用吹風機吹干備用。

3.3 釬焊焊點的制備

將Sn-3Ag-Nb焊球與純銅在不同釬焊時間、溫度、冷卻方式下獲得Sn-3Ag-Nb/Cu焊點，如圖1所示。

圖1 回流焊(a)和高壓空氣吹掃(b)示意圖Fig.1 Schematic diagram of reflow soldering (a)and high pressure air blowing (b)

3.4 焊點試樣的表征前處理和表征

掃描電鏡(SEM，Phenom ProX)觀察的Sn-3Ag/Cu焊點頂端試樣是用水性砂紙磨平，再用10%HNO3溶液刻蝕得到；截面試樣是用水性砂紙磨平、拋光，再用5%HNO3+2%HCL + 93%C2H5OH的混合溶液刻蝕得到。

4 結果與分析

4.1 釬焊保溫階段界面IMC生長形貌及其動力學

圖2 Sn-3Ag-Nb /Cu釬焊保溫階段界面Cu6Sn5的頂端SEM圖Fig.2 Top SEM image of interface IMC during the heat preservation stage of Sn-3Ag-Nb/Cu soldering

根據晶粒生長經驗公式可知[6]，根據釬焊界面IMC晶粒尺寸和保溫時間的關系表達式為：

D(t)=k(t)n

(1)

(2)

式中：D為界面IMC的晶粒直徑；k為界面IMC晶粒的生長系數；n為界面IMC晶粒的生長指數；t為釬焊保溫時間。由圖3a可知，隨著釬焊保溫時間的延長和溫度的升高，IMC晶粒的尺寸變大，且250 ℃的晶粒尺寸增量小于275/300 ℃。這是因為隨著釬焊溫度的升高，原子擴散的速率逐漸增大(1.48 m3/s增大到6.67 m3/s)。還從圖3b分析可知，界面IMC晶粒直徑和釬焊保溫時間遵循D(t)=k(t)1/3規(guī)律。

圖3 IMC晶粒直徑隨釬焊保溫時間的變化曲線(a)及其擬合曲線(b)Fig.3 Variation curve of IMC grain diameter with soldering time(a)and its fitting curve (b)

4.2 釬焊冷卻階段界面IMC生長形貌及其動力學

冷卻階段決定界面IMC形貌的最終形態(tài)。從圖4中可以看出，在空冷條件，釬焊界面IMC的形貌為六棱柱狀，且隨著溫度的升高與保溫時間的延長，晶粒尺寸逐漸粗化變大，而數目不變。

圖4 Sn-3Ag-Nb /Cu釬焊界面IMC的頂端SEM圖Fig.4 Top SEM image of IMC at Sn-3Ag-Nb/Cu soldering interface

為了更好的了解IMC生長厚度，利用掃描電子顯微鏡觀察了空冷條件下釬焊界面IMC的截面生長情況，如圖5所示。隨著釬焊溫度的升高和時間的增加，界面IMC為扁平六棱柱形貌，且IMC層厚度增加，這與圖4觀察結果一致。

圖5 Sn-3Ag-Nb /Cu釬焊界面IMC的截面SEM圖Fig.5 Cross section SEM images of IMC at Sn-3Ag-Nb/Cu soldering interface

為了研究不同的冷卻條件下對釬焊界面IMC的影響，觀察了一定條件下水冷、空冷、爐冷的界面IMC形貌，如圖6所示。在水冷條件時IMC層厚度最為小，而爐冷最大，如圖7(a～c)所示。這是由于冷卻速率越大，界面IMC生長時間越短，原子來不及擴散到界面反應層，發(fā)生二次界面反應，生成化合物沉淀析出在已有IMC晶粒表面。

圖6 不同冷卻條件下Sn-3Ag-Nb /Cu釬焊界面IMC的截面SEM圖Fig.6 Cross section SEM images of IMC at Sn-3Ag-Nb/Cu soldering interface under different cooling conditions

圖7 IMC層厚度隨釬焊時間的變化曲線(a～c)及其擬合曲線(a1～c1)Fig.7 Variation curve of IMC layer thickness with soldering time (a～c)and its fitting curve (a1～c1)

釬焊過程中液/固界面形成一層合適的金屬間化合物(IMC)是互連可靠性的保證。IMC層的厚度與釬焊時間和溫度的數學表達式為[6]：

h(t)=k1(t)n

(3)

(4)

式中：h為IMC層厚度；k1為生長系數；n為生長指數(當n=l時為線性規(guī)律，界面反應控制；n=1/2時為拋物線規(guī)律，體擴散控制；n=1/3時為類拋物線規(guī)律，晶界擴散控制[6])，t為釬焊保溫時間。由圖7(a1～c1)可知，IMC層厚度與釬焊保溫時間遵循h(huán)(t)=k1(t)1/3規(guī)律，為晶界擴散控制。隨著釬焊保溫時間的延長與溫度的升高，IMC的平均厚度逐漸增加。擬合圖中的斜率即為IMC晶粒的生長系數。隨著冷卻速率的減小，在相同條件下，生長系數k2逐漸變大(如250 ℃：由0.36增加到12.95 m3/s)。

5 學生實驗思考

(1)冷卻速率對擴散的影響？

(2)圓柱薄片熔煉收縮為球的原理，鈦片的作用？

(3)影響Cu原子擴散的因素？

6 實驗教學特色及效果分析

該課程的實驗教學，課時較少，僅16個學時，一方面以30人小班教學，分為五組(焊料熔煉、釬焊焊點制備、焊點表征試樣制備、SEM形貌表征、數據分析)，每組六名學生實際操作相應內容，其他組別進行觀察，并配備兩名實驗師就實驗過程中的操作注意事項及結果優(yōu)劣進行分析講解，每人均獨立匯總和分析實驗結果并形成個人的實驗報告，確保每個學生均能了解及動手操作相關實驗儀器。另一方面，依托教師科研項目，達到“進項目、出實驗”的教學目的，最終設計出這個通過冶金熔煉法制備Sn-3A-Nb釬料，之后與多晶Cu釬焊反應制備Sn-3Ag-Nb/Cu釬焊焊點的教學實驗。通過焊點相關微觀形貌和組織結構表征，并利用《材料科學基礎》的界面反應知識點來分析界面金屬化合物的生長機制，從而使學生進一步加深了對界面反應知識點的學習及應用。該實驗教學有助于提升學生各方面的能力，例如，實驗前查閱相關文獻的能力，實驗中積極動手操作各種設備儀器(如回流焊爐、SEM等設備)及團隊協(xié)作的能力，和實驗后的通過使用Origin，CS6等軟件進行數據處理和分析能力、綜合運用理論知識解決實際問題的能力。

7 結 語

通過結合科研項目的《材料科學基礎》課程教學實驗鍛煉，學生不僅強化了實踐動手能力，學習了相關軟件，也為后續(xù)畢業(yè)論文的實驗與寫作、專業(yè)方向就業(yè)和繼續(xù)深造讀研打下堅實基礎；還通過學生分組親身參與實驗，每組實驗都需要認真嚴謹的態(tài)度，做好該組實驗結果，且基于前一組實驗是后一組試驗成功的前提，在實驗過程中，彼此增強了團隊協(xié)作，激發(fā)了愛國奉獻、精益求精的工匠精神，進一步培養(yǎng)了學生的科研興趣和環(huán)保意識，達到了課程思政育人的目標。此外，教學還取得了良好成果，如學生主持申請并立項了江西省大學生創(chuàng)新訓練項目(S202310417007)；發(fā)表SCI論文1篇(Metal，2023，13：1345)2023年考研上岸11人(211以上5人，班級總人數36)，人，較2022年進步明顯(2人，班級總人數22)。