Sn-Ag系無鉛焊料中金屬間化合物的形成與控制.pdf

1、微電子封裝工藝中,起到熱、電和機(jī)械連接作用的無鉛焊料合金組織中金屬間化合物的形態(tài)和分布直接影響著該合金的連接性能.本文以共晶配比附近的Sn-Ag合金為研究對(duì)象,通過改變成分配比和凝固速率系統(tǒng)研究了其凝固過程中金屬間化合物相(Ag<,3>Sn)的析出規(guī)律.結(jié)合顯微組織觀察、熱分析和熱力學(xué)計(jì)算,從凝固過程兩相競爭生長的角度揭示了塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的形成機(jī)理.采用高溫時(shí)效模擬焊點(diǎn)的高溫服役過程,闡明了在持續(xù)高溫環(huán)境下合金組織中金

2、屬間化合物相的演化規(guī)律.最后探討了第三組元及異相納米ZrO<,2>微粒的摻入對(duì)合金組織中金屬間化合物的析出控制及強(qiáng)化機(jī)理.上述研究包括的主要內(nèi)容和獲得的結(jié)論是:通過改變冷卻介質(zhì),系統(tǒng)研究了亞共晶、共晶和過共晶Sn-Ag合金在不同凝固速率下其組織中金屬間化合物的形成規(guī)律.結(jié)果表明:只在緩冷過共晶合金凝固組織中有塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的析出.在較快凝固速率下,三種合金組織均呈現(xiàn)亞共晶組織特征,即由初生β-Sn枝晶和由Ag<,3>S

3、n相與β-Sn相共晶體所構(gòu)成.這歸因于非平衡條件下的動(dòng)力學(xué)過冷使合金凝固過程按亞穩(wěn)偽共晶反應(yīng)進(jìn)行.提高凝固速率對(duì)合金組織的影響為:一方面,符合經(jīng)典共晶合金枝晶生長規(guī)律,其β-Sn枝晶得到細(xì)化,即:d=3.7t<'0.43><,f>(其中d為β-Sn枝晶二次枝晶間距,凝固速率在0.08～10<'4>Ks<'-1>的范圍內(nèi)).另一方面,符合彌散強(qiáng)化原理,在共晶體區(qū)域中析出納米Ag<,3>Sn相提高了其顯微硬度.在低速凝固速率下,發(fā)展了一種通

4、過合金凝固時(shí)的名義熱容曲線來確定固相體積轉(zhuǎn)變過程,進(jìn)而確定組織中塊狀金屬間化合物體積分?jǐn)?shù)的有效方法,結(jié)合定量金相分析和熱力學(xué)計(jì)算,揭示了過共晶合金組織中塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的形成機(jī)理,即:凝固時(shí),合金熔體中的共晶Ag<,3>Sn相因與初生Ag<,3>Sn相有共同的晶體結(jié)構(gòu),會(huì)在小過冷度下依附于后者生長并成為塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn,并且該塊狀相的體積分?jǐn)?shù)值隨著合金凝固速率的提高而增大. 采用高溫時(shí)效處理模擬焊

5、點(diǎn)高溫服役過程研究了Sn-3.5Ag合金在持續(xù)高溫環(huán)境下的組織穩(wěn)定性.結(jié)果表明:合金組織中金屬間化合物Ag<,3>Sn相的演化符合系統(tǒng)自由能最小原理.平衡凝固合金組織中Ag<,3>Sn相趨于破裂和表面球化；而非平衡凝固合金組織中Ag<,3>Sn相在初生β-Sn枝晶晶界的擴(kuò)散推移作用下合并成為塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn.通過精確的熱焓計(jì)算和精細(xì)的組織分析,揭示了非平衡凝固合金組織中納米Ag<,3>Sn相的生長驅(qū)動(dòng)力源于其較高的表面能

6、,使其處于熱力學(xué)亞穩(wěn)狀態(tài).但由于該納米Ag<,3>Sn相僅局部分布于共晶組織中,因此該合金在室溫下仍然結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.針對(duì)緩冷凝固Sn-Ag合金組織中塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn對(duì)焊接性能的不利影響,探討了在該合金中加入少量第三組元Cu、In和Zn以及異相納米ZrO<,2>微粒來控制其形成的可行性.結(jié)果表明:在上述組元中只有Zn能影響合金凝固后組織中塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的形成,這歸因于Zn與Ag在低過冷度下形成的高溫β-AgZ

7、n相改變了焊料中的相析出次序,從而有效降低了其熔體過冷度.因此,在選擇能控制Sn-Ag合金組織中塊狀A(yù)g<,3>Sn相形成的第三組元時(shí),應(yīng)考慮在凝固時(shí)能與Ag結(jié)合形成金屬間化合物并在Ag<,3>Sn相之前析出的組元.而異相納米ZrO<,2>微粒,因其具有較高的表面活性,可通過表面吸附效應(yīng)來降低合金組織中金屬間化合物Ag<,3>Sn的表面能,并抑制其進(jìn)一步生長,從而可有效避免塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的形成,并使合金組織細(xì)化、力學(xué)性