在电子封装领域，通过在Cu基板表面镀上一层金属薄膜的方法，可以减缓或阻碍Sn基钎料和Cu基板间的界面反应，从而有效改善焊点的可靠性。得益于Ni镀层其优良的力学性能、热性能及物理化学性能等，Ni或Ni基镀层在电子封装领域得到了广泛的研究和应用。相关研究表明，当少量Co元素引入后，Ni镀层的使用性能得到了一定程度的改善。迄今为止，对于少量Co元素添加Ni镀层对焊点力学性能的影响尚未有系统研究。
本研究中，来自南昌大学等科研单位的研究人员利用实验结合第一性原理计算的方法，探究了Co元素添加Ni镀层对Sn37Pb/Ni/Cu焊点剪切强度的影响。相关论文以题为“Effectof Co addition into Ni film on shear strength of solder/Ni/Cu system: Experimental and theoretical investigations”发表在Materials Science and Engineering A。论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509320306675
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该研究利用电镀的方法，通过改变电镀液的成分，成功在Cu基板表面镀上了Ni及Ni-Co薄膜。通过回流焊工艺，制备了Sn37Pb/Ni/Cu及Sn37Pb/Ni-Co/Cu焊接接头。实验结果表明，Co元素引入后，Ni镀层的晶粒得到了一定的细化；界面反应产物由Ni3Sn4金属间化合物（IMC）转变为了(Ni,Co)3Sn4IMC。对焊点的力学性能做了表征，剪切实验结果表明，Co元素的引入并没有改变焊点的断裂模式，所有试样均呈现混合断裂特征；焊点的力学性能得到了改善，其剪切强度由24.68MPa提升至29.72MPa。![]()
图1 扫描电镜图：（a）Ni镀层；（b）Ni-Co镀层；（c）Sn37Pb/Ni/Cu焊点界面微结构：（d）Sn37Pb/Ni-Co/Cu焊点界面微结构
利用第一性原理的模拟方法，从密度泛函理论（DFT）的角度，对少量Co元素掺杂Ni镀层后，Sn37Pb/Ni/Cu焊点力学性能的提高做了合理的解释。首先构建了Co元素引入前后，镀层及IMC的体相结构。模拟结果表明，镀层及IMC的力学性能随着Co元素的引入得到了明显的增强。电子结构分析表明，Co-d和Ni-d电子轨道间发生了明显的轨道杂化，引入的Co元素和Ni元素形成了键能较强的共价键，这是Ni镀层及IMC力学性能增强的根本原因。
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图2体相结构：（a）Ni；（b）Ni-Co；（c）Sn；（d）Ni3Sn4；（e）和（f）(Ni,Co)3Sn4.
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图3态密度分析：（a）Ni；（b）Ni-Co；（c）Ni3Sn4；（d）(Ni,Co)3Sn4.
构建了两类界面模型以分析Co元素的掺杂对界面稳定性的影响。模拟结果表明，对于镀层/IMC界面而言，Co元素掺杂后，键能较强的Ni-Co共价键形成，导致其界面稳定性增强；对于钎料/IMC界面而言，Co元素的引入导致界面模型的价电子数从5.31降低至5.21electron/atom，导致其界面稳定性降低。模拟结果表明，Co元素掺杂后，Ni镀层、IMC及镀层/IMC界面的强度得到了提升，这共同导致了Sn37Pb/Ni/Cu焊点力学性能的增强。![]()
图4界面结构：（a）Ni(100)/Ni3Sn4 (111)；（b）NC125(100)/(Ni,Co)3Sn4 (111)；（c）(100)/Ni3Sn4(111)；（d）Sn(100)/(Ni,Co)3Sn4 (111).
*感谢胡小武团队对本文的大力支持。