Ga和Nd對(duì)Sn-Zn無鉛釬料錫須抑制作用研究.pdf

1、Sn–Zn共晶釬料是熔點(diǎn)最接近Sn–Pb釬料的無鉛釬料，且其力學(xué)性能優(yōu)于Sn–Pb釬料。雖然由于Sn–Zn釬料潤(rùn)濕性能差，但是仍然受到研究者的重視。已有研究表明，添加Ga、Ce、Pr元素能顯著提高Sn–Zn釬料的潤(rùn)濕性能，但是存在誘發(fā)“錫須”生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。然而稀土元素Nd的添加表現(xiàn)出與眾不同的性能，因此，本文針對(duì)Sn–Zn釬料中添加Ga以及稀土元素Nd的變化規(guī)律進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究。
　　采用潤(rùn)濕平衡法研究了稀土元素Nd的添加對(duì)S

2、n–9Zn–0.5Ga釬料潤(rùn)濕性能的影響。研究結(jié)果表明，適量Nd元素的添加可以顯著改善釬料的潤(rùn)濕性能，當(dāng)Nd元素的添加量為0.08wt.％時(shí)，釬料的潤(rùn)濕性能最佳，在240℃的試驗(yàn)條件下，釬料的潤(rùn)濕時(shí)間縮短了21%，潤(rùn)濕力則增加了45%；采用自制的Sn–Zn專用助焊劑助焊效果優(yōu)于市售水溶性助焊劑。
　　Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd無鉛釬料在三種鍍層上的潤(rùn)濕性能隨著溫度的升高而顯著提高，表現(xiàn)為潤(rùn)濕時(shí)間逐漸減小，潤(rùn)濕力逐漸增大

3、。在240℃以上時(shí)，Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd釬料在三種鍍層試片上的潤(rùn)濕時(shí)間均滿足波峰焊t0≤1s的要求。三種鍍層中，釬料在純Sn和Sn–Bi鍍層上的潤(rùn)濕時(shí)間小于Au/Ni鍍層。采用自制Sn–Zn專用助焊劑釬焊時(shí)，釬料在純Sn鍍層上表現(xiàn)最佳；使用水溶性助焊劑時(shí)，釬料在Sn–Bi鍍層上表現(xiàn)最佳。
　　適量添加Nd元素可以顯著改善Sn–9Zn–0.5Ga釬料的顯微組織，使得釬料基體組織中富Zn相的尺寸減小，基體組織得到細(xì)化

4、，當(dāng)Nd元素的添加量為0.08%時(shí)基體顯微組織最為細(xì)小均勻。理論分析表明，主要是由于Nd元素的吸附特性可以降低晶界自由能以及不同晶界間的自由能差，從而阻止了晶粒的長(zhǎng)大，進(jìn)而得到均勻的釬料基體組織。
　　研究發(fā)現(xiàn)，Nd元素的添加可以顯著提高Sn–9Zn–0.5Ga微焊點(diǎn)的力學(xué)性能。當(dāng)Nd元素的添加量為0.08%時(shí)，焊點(diǎn)的抗剪力最大，相比母合金提高了25.5%；對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行時(shí)效處理后發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)的力學(xué)性能有所下降，但下降速率相比母合金明顯

5、降低，經(jīng)過720小時(shí)的時(shí)效處理后，焊點(diǎn)的抗剪力仍高于未經(jīng)時(shí)效的Sn–Zn焊點(diǎn)。
　　適量Nd元素的添加可以抑制焊點(diǎn)界面金屬間化合物層的生長(zhǎng)，減小界面層的厚度。經(jīng)過時(shí)效處理后，Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd/Cu焊點(diǎn)界面層仍保持相對(duì)連續(xù)，凸起、凹陷等情況明顯減少。對(duì)焊點(diǎn)經(jīng)過時(shí)效處理后的斷口形貌進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，釬料與Cu基板的斷口處均可發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩，呈現(xiàn)典型的韌性斷裂，說明斷裂發(fā)生在釬料內(nèi)部。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)效處理后，焊點(diǎn)的斷

6、口形貌整體依然呈現(xiàn)典型的韌性斷裂，使得焊點(diǎn)仍然可以保持較高的力學(xué)性能。
　　研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素Nd對(duì)錫須的生長(zhǎng)具有明顯的影響。添加過量稀土元素的Sn–9Zn–1Nd釬料在不同時(shí)效條件下均發(fā)現(xiàn)了錫須生長(zhǎng)現(xiàn)象，且在長(zhǎng)期時(shí)效后錫須長(zhǎng)度均超過了安全范圍。而具有最佳稀土元素Nd含量的Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd釬料無論在高溫還是室溫的條件下都沒有觀測(cè)到明顯的錫須大面積生長(zhǎng)情況，可滿足微電子元器件的相關(guān)要求。高溫下的錫須長(zhǎng)度要小于室

7、溫的情況，錫須的生長(zhǎng)形態(tài)也有差異。室溫條件下的稀土形態(tài)以細(xì)長(zhǎng)的絲狀或針狀居多，而高溫條件下的錫須形態(tài)以堆疊纏繞的團(tuán)絮、腫瘤狀、島狀、丘狀為主。
　　復(fù)合添加Nd與Ga元素，在最優(yōu)的添加量范圍，即Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd釬料無論在高溫還是室溫的條件下都沒有觀測(cè)到明顯的錫須生長(zhǎng)情況，這為“抑制”錫須生長(zhǎng)、提高焊點(diǎn)可靠性提供了新的研究思路。對(duì)其反應(yīng)機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)：Ga元素對(duì)釬料基體中的錫須生長(zhǎng)抑制作用主要表現(xiàn)為Ga取代了S

8、n與Nd反應(yīng)生成了Ga–Nd相，使得Sn–Nd相的數(shù)量大大減少，從而消除了錫須的生長(zhǎng)源。在釬焊過程中當(dāng)稀土元素和Ga元素在釬料表面富集時(shí)，由于Ga的富集效應(yīng)極大地改變了相關(guān)化合物的非標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能，Ga–Nd相的生成將優(yōu)先于Sn–Nd相。
　　Ga元素對(duì)焊點(diǎn)界面附近的錫須生長(zhǎng)抑制作用一方面表現(xiàn)為Ga元素在界面處的大量聚集減少了界面附近Sn–Nd相的生成，消除了由稀土相引發(fā)的錫須生長(zhǎng)；另一方面則表現(xiàn)為Ga元素和Nd元素的協(xié)同作用使

9、得時(shí)效過程中界面層保持相對(duì)完整，界面層中的孔洞、裂紋以及凸起、凹陷等情況較少，抑制了時(shí)效過程中由于原子擴(kuò)散產(chǎn)生應(yīng)力而造成的錫須生長(zhǎng)。由此可見，Ga與Nd的優(yōu)先反應(yīng)和Ga與Nd的協(xié)同作用是Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd釬料具有錫須抑制作用的根本原因。
　　通過Sn–9Zn–0.5Ga–2Nd和Sn–9Zn–1Ga–2Nd釬料焊點(diǎn)進(jìn)行時(shí)效處理后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ga元素和Nd元素的添加量為1:2左右時(shí)，Ga元素可以通過生成Ga–Nd相從