摘要
世界正处于科技飞速发展的时代，物联网、互联网、人工智能、人机交互等等目不暇接的新技术正悄无声息地改变着我们的社会和生活方式。电子设备作为必不可少的硬件设施被赋予了更高的要求，正朝着微型化、高可靠性、高性能以及高使用寿命等方向发展。作为电子设备中互连电子元器件的焊点也随之趋于微型化发展，微焊点尺寸急剧缩小会导致焊点内部仅存在数量较少的金属间化合物（IMCs）晶粒，这些IMCs晶粒的性能将直接决定焊点的性能，并且晶粒性能的各向异性将会直接导致焊点宏观性能的差异。为了避免焊点性能优劣造成电子设备失效问题，需要制备出性能统一的微焊点。温度梯度下的固液互扩散（SLID）键合工艺被证实能够实现IMCs的定向和快速生长，有利于制备出性能统一的全IMCs焊点。此外，由于IMCs的熔点相较于焊料更高，全IMCs焊点还具有独特的优点，即在低温下制造，却能在高温环境下服役，并且在恶劣的高温环境中服役能确保焊点不失效。因此，本文通过实验详细研究了温度梯度键合工艺下Cu/SAC305/Cu和Cu/SAC305/Ni焊点的微观组织演变和剪切性能变化，同时还通过引入超声波对两种焊点进行改性。另外，通过第一性原理模拟研究了IMCs晶体结构和力学性能，阐明了IMCs性能与焊点性能之间的关联性。 在400-100℃温度梯度下制备了Cu/SAC305/Cu三明治焊点，通过控制焊料层厚度来控制温度梯度大小，同时将250℃下等温键合的Cu/SAC305/Cu焊点设置为对照组。结果表明，等温键合焊点中的IMCs在焊点两端呈现出对称生长的形貌，而温度梯度的引入则会导致IMCs的非对称生长，并且能够实现IMCs的快速生成。温度梯度下，IMCs中的主要生成相Cu6Sn5在[0001]∥RD方向产生了强烈的择优取向。然而，温度梯度的引入削减了焊点可靠性，在该条件下键合的焊点的剪切强度小于同等条件下等温键合的焊点剪切强度。 通过在温度梯度键合过程中施加超声波，并使用Ni基板置换Cu/SAC305/Cu焊点中冷端Cu基板，探究了超声波和Ni的引入对温度梯度键合下Cu/Sn焊点的影响。结果表明，Cu/SAC305/Cu焊点中的主要IMCs是Cu6Sn5，而Cu（热端）/SAC305/Ni（冷端）焊点中除了Cu6Sn5外，还产生了(Cu,Ni)6Sn5，(Cu,Ni)6Sn5具有更细小的晶粒和更多样的晶粒取向，因此表现出更好的剪切性能。此外，在键合过程中应用超声波可诱导产生更细、取向更多的IMCs，这也提高了焊点的剪切强度。 通过第一性原理计算对Cu6Sn5和(Cu,Ni)6Sn5两种IMCs的晶体结构和力学性能进行了理论研究。结果表明，掺杂Ni会导致晶体的体模量、剪切模量和杨氏模量增加，这表明(Cu,Ni)6Sn5抵抗应力变形的能力得到提高，即(Cu,Ni)6Sn5的力学性能更佳。此外，(Cu,Ni)6Sn5晶体的形成热和晶体体积均低于Cu6Sn5晶体，这表明(Cu,Ni)6Sn5晶体内原子间的键合能力得到增强，晶体的稳定性和可靠性得以提高。(Cu,Ni)6Sn5晶体具有的更好的稳定性和力学性能是Cu/SAC305/Ni焊点强度增加的主要原因。
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