無鉛釬焊界面Cu6Sn5生長(zhǎng)過程及影響因素研究.pdf

1、近年來，無鉛化進(jìn)程的推進(jìn)和電子產(chǎn)品的小型化、高密集化等都對(duì)焊接接頭的可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。焊區(qū)的微觀組織對(duì)焊接接頭的可靠性有很大的影響，而界面金屬間化合物(IMC)是微觀組織的重要核心。Sn基無鉛釬料與Cu基板之間生成的Cu6Sn5的生長(zhǎng)行為，包括形貌、尺寸、厚度和分布等都對(duì)焊接接頭的可靠性有很大的影響。
　　實(shí)驗(yàn)選取純Sn，Sn-3.5Ag，Sn-0.7Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu四種釬料成分與Cu基板在300℃下釬焊5s

2、，10s，30s和60s，分別研究經(jīng)高壓空氣吹掃液態(tài)釬料保留釬焊保溫階段Cu6Sn5生長(zhǎng)形貌和普通空氣冷卻的Cu6Sn5生長(zhǎng)形貌。另外，單獨(dú)選取不同釬焊溫度下保溫階段和純Sn/Cu，Sn-3.5Ag/Cu，Sn-0.7Cu/Cu的界面Cu6Sn5生長(zhǎng)形貌來研究釬焊溫度和Ag、Cu合金元素對(duì)Cu6Sn5生長(zhǎng)行為的影響。得到如下的結(jié)論:
　　(1)釬焊保溫階段界面Cu6Sn5主要表現(xiàn)為橫向生長(zhǎng)，其形貌基本為扇貝狀，生長(zhǎng)主要是由擴(kuò)散通量

3、控制的，符合熟化機(jī)制理論;冷卻階段主要表現(xiàn)為縱向生長(zhǎng)，其形貌轉(zhuǎn)變?yōu)樾∶鏍?，棱柱狀，棒狀以及最后的薄板狀，主要受釬料內(nèi)銅飽和溶解度降低引起的IMC長(zhǎng)大。
　　(2)冷卻過程中Cu6Sn5確實(shí)存在“繼續(xù)生長(zhǎng)”的現(xiàn)象。冷卻過程中存在的過冷度，降低了釬料中Cu的溶解度，使得Cu原子在界面處與Sn反應(yīng)生成Cu6Sn5，并在原有晶粒的基礎(chǔ)上析出，此為Cu6Sn5的繼續(xù)長(zhǎng)大過程。
　　(3)隨釬焊時(shí)間和釬焊溫度的增加，釬焊界面上Cu6Sn

4、5晶粒個(gè)數(shù)逐漸減少，大晶粒長(zhǎng)大，小晶粒減小至最后消失的現(xiàn)象可以用Gibbs-Thomson效應(yīng)來解釋。晶粒半徑越小，所含的Cu濃度越大，造成Cu元素向相鄰的大尺寸晶粒中的擴(kuò)散。
　　(4)含Ag釬料中生成的顆粒狀A(yù)g3Sn一般在Cu6Sn5表面上呈線性或者“同心圓”排列。晶粒尺寸隨著釬焊時(shí)間的增加而無明顯變化，但數(shù)量明顯增加，原因是隨著Cu6Sn5晶粒的長(zhǎng)大其表面自由能增加，為Ag3Sn的形核提供了更多的能量。隨著釬焊溫度的升高，

5、顆粒狀A(yù)g3Sn的晶粒尺寸逐漸降低，原因是溫度的升高破壞了液態(tài)釬料中的中程有序結(jié)構(gòu)。
　　(5)釬焊保溫階段中Ag、Cu元素都未有明顯作用;而在冷卻過程中Ag元素生成的顆粒狀A(yù)g3Sn和Cu元素降低基體Cu的溶解速率都抑制了界面Cu6Sn5晶粒的橫向生長(zhǎng)，保留了用于擴(kuò)散的通道，促進(jìn)了Cu6Sn5晶粒的縱向生長(zhǎng)，使得Sn-3.5Ag/Cu，Sn-0.7Cu/Cu界面Cu6Sn5比純Sn/Cu界面Cu6Sn5更細(xì)長(zhǎng)，其中Ag元素作用更