本文属于类型a：单项原创研究学术报告。

报告题目：高电流密度下铜核焊料互连的机械剪切强度研究

一、研究作者、机构与发表信息

本研究由Cisco Systems的Tae-Kyu Lee、Yujin Park、Adnan Mahmud、Gnyaneshwar Ramakrishna以及韩国MK Electron公司的Young-Woo Lee、Hui-Joong Kim、Jae-Yeol Son、Seul-Gi Lee共同完成。通讯作者为Tae-Kyu Lee。该研究发表于2026年IEEE第76届电子元件与技术会议（ECTC）论文集，文献DOI为10.1109/ectc51846.2026.00158。研究的部分工作由Cisco Systems与Portland State University合作完成，铜核焊球材料由MK Electron提供。

二、研究背景与目的

随着高性能计算和人工智能网络设备对功率传输需求的快速增长，单个焊料互连所承受的电流密度显著提高。传统均质Sn-Ag-Cu焊料接头在高电流条件下存在电阻较高、焦耳热较大的问题。铜核焊料互连结构通过在铜球表面包覆Sn基合金壳层，形成核壳结构，理论上可以利用铜的低电阻率来降低焦耳热并提高导电能力。然而铜核焊料接头具有与均质焊料接头不同的焊料-焊盘界面配置和焊料体积分布，其在高电流密度下的热机械与电机机械行为尚未被充分理解。

已有研究指出，均质Sn-Ag-Cu焊料接头在电流应力下的剪切强度变化不能仅用焦耳热引起的温升来解释，而可能涉及局部电流诱导的温度梯度、残余应力积累与弛豫等机制。本研究旨在通过原位电流应力剪切测试，系统考察铜核焊料球在不同老化条件和剪切速度下的剪切强度演变，并与均质Sn-Ag-Cu焊料球及近共晶Sn-Bi低温焊料球的性能进行比较，以揭示电流应力、微观结构演变与力学性能之间的耦合关系，为下一代高功率互连设计提供实验依据。

三、研究流程与实验方法

本研究的实验对象包括三种焊料球：铜核Sac305焊料球、均质Sn-Ag-Cu焊料球以及近共晶Sn-Bi焊料球。铜核焊料球采用220μm铜球，表面镀NiAu，再包覆Sn-3Ag-0.5Cu合金使其最终直径达到300μm；近共晶Sn-Bi焊料球最终直径同样为300μm。所有焊料球均被贴装到厚度为3.6mm、首层铜厚为2oz的PCB上，焊盘为阻焊定义焊盘。铜核Sac305和Sn-Ag-Cu样品的回流峰值温度为240°C，Sn-Bi样品的回流峰值温度为190°C。贴装后的测试板分别进行不同时间的等温老化：铜核Sac305和Sn-Ag-Cu样品在150°C下老化0、100、250和500小时；Sn-Bi样品在100°C下老化0、100、250和500小时。

研究的核心实验系统是原位电流应力剪切测试装置。该装置基于Nordson DAGE 4000Plus剪切测试系统构建。PCB上的铜焊盘和走线与外部电源通过导线连接，剪切工具的导电端也接入电源回路，从而在剪切测试过程中使恒定电流穿过焊料球与铜焊盘的界面。实验中施加的电流分别为1A、2A和3A，对应的电流密度约为1500A/cm²、3200A/cm²和4900A/cm²。剪切速度设定为10μm/s、100μm/s和1000μm/s。每种条件下记录位移-力曲线，分析曲线形状特征和最大剪切力。

为了观察焊料球在剪切过程中的中间变形状态和残余应力分布，研究采用了部分剪切实验，即在焊料球尚未完全断裂时中止剪切过程，然后通过光学明场、光学偏振成像和电子背散射衍射分析焊料球的微观结构。EBSD技术用于获取Sn晶粒的取向成像图和晶粒参考取向偏差图，以评估焊料内部残余应力的水平与分布。与均质Sn-Ag-Cu焊料球的对比数据来自前已发表的600μm直径焊球实验结果，但本研究中补充了300μm直径Sn-Ag-Cu焊球在贴装后与等温老化后的EBSD数据以进行同尺寸比较。

四、主要结果与分析

研究首先通过EBSD观察了三种焊料球在贴装后和等温老化后的初始微观结构。Sn-Ag-Cu和Sn-Bi焊料球在刚贴装后均表现出较小的晶粒尺寸和较高的残余应力，而在等温老化后晶粒长大、残余应力降低。但铜核焊料球表现出不同行为：等温老化后残余应力略有增加，同时晶粒仍发生长大。这一现象说明铜核焊料球内部存在由核壳结构引起的附加应力场。

在原位电流剪切测试中，均质Sn-Ag-Cu焊料球在1A电流下，即使焦耳热导致界面温度升高，其剪切强度仍高于无电流条件下的剪切强度。部分剪切后的EBSD分析表明，电流在焊球内部形成了局部热区，焊料在电流流经区域发生热膨胀，而邻近未升温区域对其形成约束，从而在热区边界产生了压缩应力。这种局部压缩提高了剪切强度。该现象仅在100μm/s剪切速度下明显，说明电流诱导的应力建立与剪切速度之间存在时间依赖性。

近共晶Sn-Bi焊料球表现出脆性特征，剪切过程中塑性变形有限，应力迅速转移到焊料与铜焊盘的界面。然而在1A电流条件下，等温老化后的样品剪切强度显著高于无电流样品。EBSD结果显示，在电流作用下，剪切工具与焊球的接触区域发生了更广泛的变形，残余应力深入到焊球内部，表明电流改变了应力传递路径，使剪切力在焊球内部被吸收和分散，从而延缓了界面破坏。但当电流进一步增大到2A或3A时，剪切强度下降，说明电流密度超过一定阈值后热效应和微观结构退化开始占主导。

铜核焊料球的剪切行为与均质合金存在显著差异。在无老化条件下，施加电流会降低剪切强度。但在经过150°C老化100小时后，施加3A电流使剪切强度大幅提高。部分剪切后的EBSD分析显示，在铜核表面与铜焊盘之间的界面附近，断裂区域出现了较高的残余应力集中区。这一高应力区可能源于铜核与焊料壳层之间因热膨胀失配和电流诱导的热梯度所产生的局部应力累积，该应力能够延迟界面裂纹的扩展，从而提升剪切强度。然而随着老化时间延长至500小时，剪切强度再次降低。EBSD分析表明，此时界面金属间化合物过度生长，虽然界面结合增强，但铜核周围有限焊料体积在电流应力下软化，导致整体剪切强度下降。

在剪切速度影响方面，低速剪切下铜核焊料球的行为更接近于高温软化响应，而高速剪切下则表现为冲击型脆性断裂特征。中等剪切速度下观察到的电流诱导强化现象最为显著，进一步支持了电流应力下焊料接头存在电-热-力耦合的复杂机制。

五、结论与意义

本研究通过原位电流应力剪切实验和EBSD微观结构分析，系统比较了铜核Sac305焊料球、均质Sn-Ag-Cu焊料球和近共晶Sn-Bi焊料球在电流应力下的剪切行为。结果表明，电流应力对焊料互连力学性能的影响不能仅用焦耳热诱导的温升解释。焊料接头内部存在的局部热梯度、时间依赖性残余应力积累与弛豫、焊料-焊盘界面稳定性以及扩散驱动的微观结构演变共同决定了其剪切强度变化。铜核焊料球虽然能降低整体电阻和焦耳热，但其核壳结构引入了额外的应力集中和界面复杂度，使得其电流应力下的力学稳定性依赖于等温老化条件和界面金属间化合物的演化状态。

该研究为高功率AI和高性能计算系统中焊料互连的可靠性设计提供了重要的实验依据。研究价值在于：首先，在基础科学层面，揭示了电流密度、剪切速度、老化时间与焊料微观结构之间的耦合作用机制，特别是局部应力梯度对剪切强度的增强效应；其次，在工程应用层面，明确了铜核焊料球在特定老化窗口和中等剪切速度下可获得电流诱导的强化效果，但也警告过长老化会导致强化窗口消失。该研究为高速剪切条件下的电流应力可靠性测试方法提供了范式，并为下一代高功率电子系统的互连材料选择和可靠性评估策略提供了指导。

六、研究亮点

本研究的突出创新点在于：第一，首次在铜核焊料球上系统地进行了原位电流应力剪切测试，并同时比较了均质Sn-Ag-Cu和近共晶Sn-Bi合金体系；第二，将宏观剪切力数据与EBSD晶粒取向和残余应力分布相结合，从微观结构角度解释了电流诱导强化和退化的机理；第三，发现了铜核焊料球在中等老化时间和中等剪切速度下具有电流诱导剪切强度增强的窗口条件，这一发现对实际应用中的工况选择具有指导意义；第四，研究指出局部压缩应力区的形成是电流强化的重要机制之一，该应力区位于电流流经区域与未受热区域之间的边界，为理解电-热-力耦合行为提供了新的证据。

此外，研究还观察到Sn-Bi脆性合金在电流条件下也能通过改变内部应力分布来延缓界面破坏，说明电流诱导强化并非Sn-Ag-Cu体系独有的现象，而可能具有更广泛的适用性。这些发现为后续进一步研究不同互连配置下的电流应力可靠性奠定了基础。