金属界面可逆连接理论与方法研究

Joining is a technology which is founded on the bases of interfacial bonding. The revisable joining, however, is not only focused on the interfacial bonding of the components but also on the separation of the previous bonded interfaces. Unfortunately, the concept as well as the definition of revisable joining are not finalized up to now. The fundamental principles of such process is found still outstanding. Based on the above understanding, this proposal aims to establish the scientific bases for revisable joining by the deep investigation on the scope, the mechanisms, the techniques, the research methodologies and the practical applications. It is hopeful that the above aims might be realized by using the knowledge-based roadmapping approach. In addition to the theoretical study, the practical experimental research on the revisable joining of the Cu-Sn-Cu interfaces is scheduled to be performed by this proposal. The joining of the Cu-Sn-Cu interfaces is expected to be completed by soldering while the separation of the bounded interfaces is expected to be completed by the solid state diffusion induced segregation. The interfacial reaction and the microstructure evolution are the key points during the soldering process. The nucleation as well as the growth of the diffusion induced Kirkendall voids, during the solid state diffusion process, are the other key points in this study. It is expected that, the fundamental basis of revisable joining and the mechanisms of the revisable joining of Cu-Sn-Cu interfaces could be demonstrated after this study.

金属连接的实质是实现界面结合，而可逆连接不但要实现界面结合，而且要实现结合界面的分离。目前，有关可逆连接的概念尚不清楚，更无相关的理论体系及技术基础。对此，本项目拟首先研究连接可逆过程的科学基础，包括可逆连接的科学定位及技术内涵、所涉及的科学问题及相应研究方法，其次研究可逆连接过程的实现途径。本项目拟采用基于知识的路线图原理和方法开展可逆连接创新理论的研究，拟以Cu-Sn-Cu界面钎焊连接及扩散分离为例开展可逆连接过程的实验研究。通过对界面反应及组织演变的控制，可获得低温钎焊/高温服役的Cu-Cu3Sn-Cu焊点；通过控制固态扩散及Kirkendall空洞效应，实现钎焊连接界面的分离。通过本项目的研究，一方面力图完善可逆连接的概念、初步建立起可逆连接过程的理论体系框架；另一方面力图阐明Cu-Sn-Cu界面可逆连接的原理，揭示可逆连接的关键参量及影响规律，为可逆连接研究和发展提供基础支持。

当前针对无铅钎焊连接的研究仅涉及工艺方面的初步探索，及全IMCs焊点力学性能的简单评价，缺乏涵盖工艺、相演变、可靠性等方面的系统研究。此外，电子封装领域中仍没有焊点扩散分离方面的探索，基于此背景，本研究针对钎焊连接阶段，Cu/Cu3Sn/Cu焊点钎焊工艺，及Cu/Cu3Sn/Cu焊点形成过程中界面相演变、焊点剪切断裂行为等问题进行系统地研究，针对扩散分离阶段，高温时效过程中界面微观组织演变、空洞形成机理及焊点扩散分离实现等问题进行研究。.主要研究内容有：.1）Cu/Cu3Sn/Cu焊点形成过程中，界面微观组织演变、IMCs晶粒形貌及生长行为的研究。.2）具有不同微观组织焊点的剪切断裂行为的研究，建立焊点微观组织与剪切断裂行为的关系。.3）Cu/Cu3Sn/Cu焊点扩散分离过程中，界面微观组织演变、空洞形成机理的研究，并建立扩散分离边界条件。.本项目主要研究成果有：.1）Cu/Cu3Sn/Cu焊点形成过程中，晶粒生长所需Cu通量仅由界面反应通量提供。Cu6Sn5晶粒生长通过连续多个“晶粒形核、长大及合并”过程实现。Cu3Sn晶粒先以等轴状生长，后转为柱状生长，通过柱状晶合并最终形成粗大柱状晶。.2）Cu/Cu3Sn/Cu界面形成过程中，随着微观组织的演变，焊点强度不断增大。应变速率升高，Cu/Cu3Sn/Cu焊点解理断裂比例增大，沿晶断裂比例减小，焊点强度不断增大。.3）Cu/Cu3Sn/Cu焊点高温时效过程中，界面区发生相变产生的原子浓度梯度使原子发生迁移，同时伴随着空洞的生成，随着时效的进行，界面微观结构，相界处界面反应、原子迁移路径造成空位累计，最终形成空洞。.4）Cu/Cu3Sn/Cu焊点高温时效过程中，孔洞不断形成导致焊点承载能力持续降低。焊点依据MIL-STD-883H中失效判据被判定焊点失效时，即实现扩散分离。焊点搭接面积满足失效判据构成了扩散分离边界条件。.本项目研究成果一方面为电子封装中全IMCs焊点的制备提供了理论依据，对电子封装结构制造领域的发展具有重要意义，另一方面验证了界面可逆连接的可行性，突破了界面不可逆永久结合的传统概念，为可逆连接研究和发展提供基础支持。