南昌大學《MSEA》：Co元素添加Ni鍍層提升焊點剪切強度！

在電子封裝領域，通過在Cu基板表面鍍上一層金屬薄膜的方法，可以減緩或阻礙Sn基釺料和Cu基板間的界面反應，從而有效改善焊點的可靠性。得益於Ni鍍層其優良的力學性能、熱性能及物理化學性能等，Ni或Ni基鍍層在電子封裝領域得到了廣泛的研究和應用。相關研究表明，當少量Co元素引入後，Ni鍍層的使用性能得到了一定程度的改善。迄今為止，對於少量Co元素添加Ni鍍層對焊點力學性能的影響尚未有系統研究。

本研究中，來自南昌大學等科研單位的研究人員利用實驗結合第一性原理計算的方法，探究了Co元素添加Ni鍍層對Sn37Pb/Ni/Cu焊點剪切強度的影響。相關論文以題為「Effectof Co addition into Ni film on shear strength of solder/Ni/Cu system: Experimental and theoretical investigations」發表在Materials Science and Engineering A。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509320306675

該研究利用電鍍的方法，通過改變電鍍液的成分，成功在Cu基板表面鍍上了Ni及Ni-Co薄膜。通過回流焊工藝，製備了Sn37Pb/Ni/Cu及Sn37Pb/Ni-Co/Cu焊接接頭。實驗結果表明，Co元素引入後，Ni鍍層的晶粒得到了一定的細化；界面反應產物由Ni₃Sn₄金屬間化合物（IMC）轉變為了(Ni,Co)₃Sn₄IMC。對焊點的力學性能做了表徵，剪切實驗結果表明，Co元素的引入並沒有改變焊點的斷裂模式，所有試樣均呈現混合斷裂特徵；焊點的力學性能得到了改善，其剪切強度由24.68MPa提升至29.72MPa。

圖1 掃描電鏡圖：（a）Ni鍍層；（b）Ni-Co鍍層；（c）Sn37Pb/Ni/Cu焊點界面微結構：（d）Sn37Pb/Ni-Co/Cu焊點界面微結構

利用第一性原理的模擬方法，從密度泛函理論（DFT）的角度，對少量Co元素摻雜Ni鍍層後，Sn37Pb/Ni/Cu焊點力學性能的提高做了合理的解釋。首先構建了Co元素引入前後，鍍層及IMC的體相結構。模擬結果表明，鍍層及IMC的力學性能隨著Co元素的引入得到了明顯的增強。電子結構分析表明，Co-d和Ni-d電子軌道間發生了明顯的軌道雜化，引入的Co元素和Ni元素形成了鍵能較強的共價鍵，這是Ni鍍層及IMC力學性能增強的根本原因。

圖2體相結構：（a）Ni；（b）Ni-Co；（c）Sn；（d）Ni₃Sn₄；（e）和（f）(Ni,Co)₃Sn₄.

圖3態密度分析：（a）Ni；（b）Ni-Co；（c）Ni₃Sn₄；（d）(Ni,Co)₃Sn₄.

構建了兩類界面模型以分析Co元素的摻雜對界面穩定性的影響。模擬結果表明，對於鍍層/IMC界面而言，Co元素摻雜後，鍵能較強的Ni-Co共價鍵形成，導致其界面穩定性增強；對於釺料/IMC界面而言，Co元素的引入導致界面模型的價電子數從5.31降低至5.21electron/atom，導致其界面穩定性降低。模擬結果表明，Co元素摻雜後，Ni鍍層、IMC及鍍層/IMC界面的強度得到了提升，這共同導致了Sn37Pb/Ni/Cu焊點力學性能的增強。

圖4界面結構：（a）Ni(100)/Ni3Sn4 (111)；（b）NC125(100)/(Ni,Co)₃Sn₄ (111)；（c）(100)/Ni3Sn4(111)；（d）Sn(100)/(Ni,Co)₃Sn₄ (111).

*感謝胡小武團隊對本文的大力支持。