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钎焊温度和冷却速率对无铅钎焊界面结构的影响

谷丽玉  
【摘要】:近些年来,由于电子封装工业迅速发展和消费者需求不断提高,电子产品逐渐向小型化、便携式和高精密化方向发展,进而对电子封装的可靠性提出了更高的要求。电子封装互联的可靠性与焊点微观组织有很大关系,而界面金属间化合物(IMC,一般是指Cu6Sn5)是焊点微观组织研究的核心问题之一。对于Ag含量高的钎料,钎焊反应结束后界面也会产生Ag3Sn,其形貌和尺寸影响到焊点的力学性能。因此研究界面IMC的生长行为是一项基础但非常重要的课题。 本文选用Sn, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag, Sn-4.0Ag, Sn-4.5Ag, Sn-3.OAg-0.5Cu Sn-3.7Ag-0.7Cu钎料合金为研究对象,在250℃,275℃和300℃下分别与多晶Cu基板进行钎焊反应10min后,在液氮,水,空气和加热炉四种冷却介质下进行冷却后得到接头试样,分析接头IMC (Cu6Sn5和Ag3Sn)的形貌和尺寸来研究钎焊温度和冷却速率对钎焊接头IMC微观结构的影响规律,同时采用同步辐射实时成像技术来观测钎焊过程中IMC的动态生长行为,为研究IMC生长行为提供直接无假设的证据。主要结论如下: (1)钎焊温度影响Cu6Sn5晶粒上小平面的形成。在液氮冷却下,钎焊温度为250℃时,Cu6Sn5晶粒呈现圆胞状,钎焊温度为275℃和300℃时,Cu6Sn5晶粒上出现小平面。本实验中存在一个临界温度值使Cu6Sn5晶粒由胞状转变为小面状,这个临界温度在250℃和275℃之间。随着钎焊温度的升高,界面Cu6Sn5晶粒的直径和IMC层的厚度都增大。G值用来表征IMC晶粒的三维形貌,G值越大,说明晶粒越细长。实验中这个比值处于0.5-1.0之间。Sn/Cu接头中G值是最小的,说明添加了Cu或Ag等合金元素后,Cu6Sn5晶粒更倾向于形成细长的结构。在这三个钎焊温度中,275℃下G值最大。 (2)冷却速率明显影响界面Cu6Sn5晶粒的形貌,原因是Cu6Sn5晶粒在冷却过程中有二次生长行为。250℃钎焊温度下,水冷和空冷下形成圆胞状的Cu6Sn5晶粒,炉冷下形成棱柱结构的Cu6Sn5晶粒。275℃和300℃钎焊温度下,水冷下形成小面状Cu6Sn5空冷下形成晶须状Cu6Sn5,炉冷下形成棱柱状Cu6Sn5.冷却速率影响IMC层的厚度。冷却速率越小,Cu6Sn5晶粒二次生长的时间越长,因而生成的IMC层厚度越大。相同冷速下,Sn-3.5Ag/Cu界面IMC层的厚度相对最小,原因是冷却过程中Ag3Sn在Cu6Sn5界面上析出,阻碍了Cu6Sn5晶粒的二次生长。 (3)钎焊温度对Ag3Sn形成影响不大。钎焊冷却速率对Ag3Sn形成影响较大,冷却速率越慢,生成的Ag3Sn的尺寸越大,其形貌从颗粒状变为直线形再变为大片或大板状。 (4) Cu6Sn5晶粒形貌对Ag3Sn形核位置有影响。在扇贝状的Cu6Sn5表面上,颗粒状Ag3Sn以Cu6Sn5晶粒顶端为中心呈同心圆排列;在小面状Cu6Sn5的小平面上,颗粒状Ag3Sn呈直线形相互平行或垂直地分布,直线形Ag3Sn相互平行地分布,并且与Cu6Sn5小平面的生长方向垂直。炉冷条件下,棒状Cu6Sn5穿过大片状Ag3Sn生长,形成交叉结构,二者互成60°夹角。大片状Ag3Sn之间互成60°或120°夹角。 (5)同步辐射实验结果表明,Ag3Sn在冷却过程中很短的时间内便形成,大片状Ag3Sn之间互成60°或120°夹角;Cu6Sn5的二次生长要早于Ag3Sn的生长,二者相交叉形成60°夹角;Ag3Sn之间存在有竞争生长的关系;p-Sn形核方式属于均匀形核,形成时间要晚于Ag3sn。 关键词:无铅钎料;钎焊温度;冷却速率;微观结构;金属间化合物


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