Junta Cu3Sn com base na ligação transitória da fase líquida do núcleo Cu@Cu6Sn5

Jul 23, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 668 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Com o desenvolvimento de eletrônicos de alta integração e alta potência, a falta de materiais de conexão de chip correspondentes que possam suportar altas temperaturas tem sido um desafio. Neste manuscrito, partículas bimetálicas de núcleo-casca Cu@Cu6Sn5 (aprox. 1 μm de diâmetro) são preparadas com sucesso e introduzidas como um novo material de solda para a embalagem de dispositivos de energia para obter uma junta de solda Cu3Sn totalmente IMC. A junta consistia principalmente de grãos de Cu3Sn equiaxiais e uma pequena porção de grãos de Cu3Sn colunares. No crescimento do tipo colunar, Sn é a espécie difusora dominante, que vem do esgotamento de Sn em Cu6Sn5. O Cu6Sn5 esgotado é transformado em Cu3Sn colunar. No crescimento do tipo equiaxial, o Cu é a espécie dominante em difusão. Cu reage com Cu6Sn5 para crescer uma camada Cu3Sn. Esta conclusão foi confirmada pela relação de orientação. Os grãos de Cu3Sn equiaxiais nucleados na interface Cu/Cu3Sn têm uma relação de orientação com o substrato de Cu. Grãos colunares de Cu3Sn na interface Cu6Sn5/Cu3Sn têm uma relação de orientação com Cu6Sn5.

Com o desenvolvimento da eletrônica de alta integração e alta potência, houve rápidos avanços na fabricação de novos dispositivos de energia baseados em SiC, GaN e outros materiais semicondutores de banda proibida. Descobriu-se que os dispositivos de energia baseados em SiC operam até 600 °C1,2,3, mas a falta de materiais de conexão de chip correspondentes que possam suportar altas temperaturas tem sido um desafio. Temperaturas de refluxo excessivas causam alto estresse térmico e podem danificar outros dispositivos sensíveis à temperatura no sistema. Portanto, o material de solda deve preferencialmente operar em condições de baixa temperatura e refluxo curto, e as juntas de solda resultantes podem suportar temperaturas de serviço mais altas4,5,6.

As reações metalúrgicas dos sistemas Cu-Sn têm sido bem estudadas por muitos anos7,8,9. Envolve a formação de dois tipos de compostos intermetálicos (IMCs): Cu6Sn5 e Cu3Sn. Cu3Sn tem propriedades mecânicas relativamente boas. É superior ao Sn em termos de temperatura de fusão, módulo de Young e dureza. Além disso, Cu3Sn tem uma tenacidade à fratura de 5,72 MPa/m, que é o dobro do valor de Cu6Sn5 (2,80 MPa/m). Qiu et al.10 prepara juntas de solda de Cu3Sn simples usando revestimento de Cu com filmes de Sn de uma maneira por refluxo a 260 ℃ por 24 h (pressão auxiliar de 1 MPa) com uma espessura de junta de cerca de 10 μm. Por outro lado, o refluxo a 340 ℃ por 3 min (pressão auxiliar de 9,6 MPa) foi usado, mas a espessura da junta foi de apenas 3 μm. Outros têm trabalhado de forma semelhante, utilizando uma estrutura sanduíche (Cu/Sn/Cu) para obter juntas de solda Cu3Sn pelo método TLP (transient liquid phase), que requer aplicação assistida de pressão ou ultrassom, ou corrente9,11,12,13. Essas juntas de solda geralmente têm apenas alguns mícrons de espessura (menos de 10 μm). Para a confiabilidade termomecânica da junta, uma certa espessura (mais de 15 μm) da junta é desejável para aliviar a concentração de tensão4,5,6.

Cu3Sn é um composto intermetálico com múltiplas morfologias. Nos últimos anos, houve alguns estudos sobre as diferentes morfologias do Cu3Sn. O Cu3Sn equiaxial é o grão mais estudado atualmente. As juntas de solda Cu3Sn obtidas pelo método convencional TLP (Cu/Sn/Cu sanduíche estrutura) são compostas de grãos grossos colunares Cu3Sn (Fig. 1). Estudos anteriores concluíram que durante o processo de soldagem, os grãos de Cu3Sn são primeiro nucleados em uma forma isométrica fina, isso ocorre porque não há tempo e espaço suficientes para o surgimento de grãos de Cu3Sn de forma complexa. Os grãos de Cu3Sn simplesmente crescem em forma equiaxial, porque a menor energia é necessária para crescer quando os grãos de Cu3Sn são impedidos de crescer em sua direção de crescimento preferida. À medida que os grãos Cu3Sn equiaxiais crescem até um tamanho crítico, os átomos de Cu ao longo da interface Cu3Sn/Cu6Sn5 participarão da reação interfacial para formar Cu3Sn, escolhendo cruzar os planos paralelos de empilhamento denso dos grãos Cu6Sn5 para obter a menor resistência à difusão. Como resultado, grãos colunares de Cu3Sn são formados, o que significa que os grãos de Cu3Sn mudam de uma forma equiaxial para uma forma colunar. No entanto, devido às diferentes distâncias de difusão, os átomos de Cu se difundem em Cu6Sn5 formando Cu3Sn ao longo da interface entre Cu6Sn5 e o topo da colunar Cu3Sn. Como resultado, os grãos colunares de Cu3Sn continuam crescendo à medida que a soldagem avança, caracterizados por um aumento maior no comprimento do que na largura7,8,12,14.