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电动汽车驱动
★ 4.0
高电流密度下Sn3.5Ag微铜柱焊点界面演化及失效机制分析
Analysis of Interface Evolution and Failure Mechanism of Sn3.5Ag Micro-Copper Pillar Solder Joints under High Current Density
| 作者 | Changping Chen · Mengtao Xiao · Xiaokang Liu · Qiang Zhang · Jiameng Zhang · Xinjian Li |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年9月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 微电子封装 微焊点 高电流密度 界面演变 失效机制 |
语言:
中文摘要
目前,微电子器件面临的严峻挑战之一是封装的小型化趋势。随着微电子封装不断向高密度、小尺寸方向发展,微焊点在常见服役条件下将单独或同时承受热电、力等载荷,这会导致互连结构失效。本研究探究了高电流密度下Sn₃.₅Ag微铜柱焊点的界面演变和失效机制。实验表明,在电流密度为3×10⁴ A/cm²、温度为150°C的条件下,阴极侧的镍层迅速溶解,形成Cu₃Sn和(Cu,Ni)₆Sn₅等金属间化合物(IMCs),而抗电迁移的Ag₃Sn颗粒在焊料芯部聚集,抑制了金属间化合物的生长。柯肯达尔空洞在Cu - Cu₃Sn界面形核,在长时间电流应力作用下演变成裂纹。ANSYS模拟显示,铜柱 - 线路界面处存在严重的电流拥挤现象,峰值密度达到3.82×10⁵ A/cm²。由于溶解不均匀,基板侧较短的铜柱失效更早,而芯片侧较长的铜柱使电流分布更加均匀。失效模式从低电流密度下的阴极侧开裂转变为高电流密度下的饼状空洞形成,这为提高大电流可靠性的微电子封装优化提供了指导。
English Abstract
Currently, one of the serious challenges in microelectronic devices is the miniaturization trend of packaging. With the continuous development of micro-electronic packaging towards high density and small size, micro-solder joints will be subjected to thermal-electrical-force and other loads alone or simultaneously under common service conditions, which will cause the failure of the interconnect structure. This study explores interface evolution and failure mechanisms of Sn3.5Ag micro-copper pillar solder joints under high current density. Experiments show that at 3×104 A/cm² and 150°C, cathode-side Ni layers dissolve rapidly, forming intermetallic compounds (IMCs) like Cu3Sn and (Cu,Ni)6Sn5, while electromigration-resistant Ag3Sn particles aggregate in the solder core to suppress IMC growth. Kirkendall voids nucleate at the Cu-Cu3Sn interface, evolving into cracks under prolonged current stress. ANSYS simulations reveal severe current crowding at copper pillar-trace interfaces, with peak densities reaching 3.82×10⁵ A/cm² . Shorter substrate-side pillars fail earlier due to non-uniform dissolution, while longer chip-side pillars homogenize current flow. Failure modes shift from cathode-side cracking at low densities to pancake-shaped void formation at high densities, guiding microelectronic packaging optimization for high-current reliability.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文揭示的微铜柱焊点在高电流密度下的失效机理对我司功率电子产品具有重要参考价值。随着光伏逆变器和储能变流器向高功率密度、小型化方向发展,IGBT模块、功率半导体封装等核心部件面临的电-热-力耦合载荷日益严峻,焊点可靠性已成为制约系统寿命的关键瓶颈。
论文揭示的Sn3.5Ag焊点在3×10⁴ A/cm²电流密度和150°C温度下的界面演化规律,与我司大功率产品的实际工况高度契合。研究发现的阴极侧Ni层快速溶解、金属间化合物(IMCs)生长以及Kirkendall空洞演化机制,直接关联到逆变器功率模块的长期可靠性问题。特别是ANSYS仿真显示的电流拥挤现象(峰值达3.82×10⁵ A/cm²),为优化我司铜柱-基板界面设计提供了量化依据。
该研究的应用价值体现在多个层面:首先,Ag₃Sn颗粒抑制IMC生长的机理可指导我司优化焊料配方,提升储能系统在频繁充放电循环下的连接可靠性;其次,不同铜柱长度对电流均匀性的影响,为模块封装结构设计提供了新思路;再者,失效模式从裂纹演变到饼状空洞的转变规律,有助于建立更精准的寿命预测模型。
技术挑战在于实验室条件与实际应用场景的差异,我司产品还需考虑户外环境的湿度、振动等复合因素。建议结合该研究成果,开展针对性的加速老化试验,并将界面演化模型集成到数字孪生平台中,实现从材料微观机理到系统级可靠性的全链条优化,进一步巩固我司在高可靠性功率电子领域的技术领先地位。