单晶基板用于调控焊锡接头βSn组织和晶粒取向的作用机制研究

Electromigration, thermomigration, thermomechanical fatigue, etc. are chronic problems that need to be solved. Although researchers suggested the preferred βSn structure and grain orientations to combat each failure model, there are still no effective and industrial-friendly methods to control βSn structure and grain orientations of solder joints. In this project, combining different solder alloys and solidification processes, we will study the effectiveness of βSn-nucleation-catalysing single-crystal substrates, such as Co, Pt, Pd, etc. on controlling βSn structure and grain orientations in solder joints. Firstly, thermodynamic and kinetic models of nucleation and growth of interfacial intermetallics on single-crystal substrates, and βSn on interfacial intermetallics will be clarified. Subsequently, qualitative relationships between substrate grain orientation, solder alloy compositions, solidification parameters, morphologies and grain orientations of interfacial intermetallics, and βSn structure and grain orientations will be built up. Furtherly, based on these relationships, a brand-new theory on controlling βSn structure and grain orientations will be proposed. Finally, guided by this theory, solder joints will be fabricated and analysed under corresponding failure models to improve the developed theory. This project is expected to lay theoretical and experimental foundations for designing solder joints in high-reliability-demanding applications such as motor electronics and aerospace electronics.

焊锡接头的电迁移、热迁移、和热机疲劳等失效是电子封装产业悬而未决的难题，虽然研究者已指出了克服各类失效所需的最优βSn组织和晶粒取向，但目前仍无有效且易于工业化的方法来调控焊锡接头中βSn的组织和晶粒取向。立足这一研究前沿，本项目将结合不同合金成分和凝固条件，来探索Co、Pt、Pd等可促进βSn形核的单晶基板在βSn组织和晶粒取向调控方面的作用。研究将首先阐明界面金属间化合物在单晶基板上、βSn在界面金属间化合物上形核和生长的热力学和动力学模型；进而建立单晶基板晶粒取向、合金成分、凝固条件、界面金属间化合物形貌和晶粒取向、βSn组织和晶粒取向之间的定性关系；然后在此基础上建立焊锡接头βSn组织和晶粒取向调控理论；最后根据理论设计焊锡接头并进行相应的性能测试，分析测试结果以改进调控理论。本项目将为汽车电子、航空航天电子等可靠性要求较高的电子元器件中焊锡接头的设计提供理论基础和试验依据。

焊锡接头的电迁移、热机疲劳、机械疲劳等失效是电子封装产业悬而未决的难题，虽然研究者揭示了各类失效与βSn组织和晶粒取向的定性关系，但目前仍无有效且易于工业化的方法来调控接头的βSn组织和晶粒取向。立足这一研究前沿，本项目探索了Co单晶基板用于调控焊锡接头βSn组织及晶粒取向的作用机制。主要研究发现如下：.1）在(0001)Co、(11-20)Co、(10-10)Co和(1-102)Co单晶基板上，界面αCoSn3呈片状形貌且具有强烈织构（2~5种取向），αCoSn3与Co 单晶基板存可复现位向关系。.2）晶体学上等效的且符合位向关系的界面αCoSn3取向并非全部出现，与未出现的取向相比，观察到的取向在热力学（即界面能）和生长动力学上更具优势。.3）与传统Cu基板相比，采用Co 单晶基板制备的焊锡接头的βSn晶粒取向数量明显减少。在(10-10)Co上，βSn的可能取向为40个且[001]晶向均不垂直于基板，这对防治焊锡接头电迁移失效极为有利；在(11-20)Co上，βSn的可能取向被进一步被减少至20个。在(11-20)Co、(10-10)Co及(1-102)Co上，βSn与Co基板有位向关系的焊锡接头的出现频率大于70 %，然而，在(0001)Co上，这一概率不足50 %，这归因于(0001)Co特殊的界面αCoSn3形貌不利于βSn生长。.4）单晶基板能够有效调控βSn组织和晶粒取向需满足以下条件：i) 界面αCoSn3具有强烈的织构；ii) Co单晶基板表面具有较少的对称轴；iii) Co单晶基板表面是低指数晶面；iv) 界面αCoSn3上平行于对称轴的晶向是低指数晶向；v) 固定位向关系在热力学上是优选的。.5）在初步建立的βSn组织和晶粒取向调控理论的指导下，制备了三种不同晶粒取向的高可靠性焊锡接头，其服役性能均优于具有较差晶粒取向的一般焊锡接头。.本项目的研究成果可为汽车电子、航空航天电子等可靠性要求较高的电子元器件中焊锡接头的设计提供理论基础和试验依据。