Cu基板退火处理的Cu/Sn58Bi/Cu钎焊接头界面微结构

研究了铜基板退火处理对Cu/Sn58Bi界面微结构的影响. 结果表明,在回流以及时效24 h后Cu/Sn58Bi/Cu界面只观察到Cu₆Sn₅. 随着时效时间的增加,在界面形成了Cu₆Sn₅和Cu₃Sn的双金属间化合物(IMC)层,并且IMC层厚度也随之增加. 长时间时效过程中,在未退火处理的铜基板界面产生了较多铋偏析,而在退火处理的铜基板界面较少产生铋偏析. 比较退火处理以及未退火处理的铜基板与钎料界面IMC层生长速率常数,发现铜基板退火处理能减缓IMC层生长,主要归因于对铜基板进行退火处理能够有效的消除铜基板的内应力与组织缺陷,从而减缓Cu原子的扩散,起到减缓IMC生长的作用.     

β-Sn晶粒取向及温度对Cu/SAC305/Cu微焊点时效界面反应的影响

为了探究不同等温时效温度下β-Sn晶粒取向及晶界特征对界面反应的影响,采用准原位观测手段对不同Sn取向的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu(Cu/SAC305/Cu)微焊点进行研究. 结果表明,在不同温度下时效时,微焊点两侧界面IMC(Cu₆Sn₅ + Cu₃Sn两相)自始至终呈现对称性生长,表明时效过程中β-Sn晶粒取向及晶界的存在不会影响界面反应. 但是随着时效温度的升高,界面IMC的形貌和厚度发生明显变化. 在100 ℃时效后,界面处生成扇贝状的Cu₆Sn₅和较薄的不连续的Cu₃Sn层;在125 ℃时效后,界面处生成扇贝状的Cu₆Sn₅和较薄的连续的Cu₃Sn层;而在150 ℃时效后,界面IMC由层状Cu₆Sn₅和层状Cu₃Sn双层结构组成. 时效温度的升高促使Cu和Sn原子扩散加快,促进了扇贝状Cu₆Sn₅向层状转变并造成Cu₃Sn的快速生长. 同时,基于界面IMC厚度随时效时间的演变规律,获得了不同时效温度下微焊点界面IMC生长曲线,可为Sn基微焊点的可靠性评价提供依据.     

基于纳米压痕法分析无铅焊点内Cu6Sn5金属化合物的力学性能

采用纳米压痕技术对微电子封装中无铅焊点内界面化合物（IMC）Cu₆Sn₅的弹性模量和硬度进行了测试。根据实际工业工艺流程和服役工况,制备接近真实服役状态下的微电子封装中无铅焊点界面化合物试样;采用扫描电镜（SEM）和能量色散X射线荧光光谱仪（EDX）确定IMC的形貌和化学成分;利用连续刚度测量（CSM）技术,采用不同的加载速率对无铅焊点（Sn3.0Ag0.5Cu、Sn0.7Cu和Sn3.5Ag）内的界面化合物Cu₆Sn₅进行测量,得到载荷、硬度和弹性模量-位移曲线。根据纳米压痕结果确定Cu₆Sn₅的蠕变应力指数。     

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响

研究了温度为150℃,电流密度为5.0×10³A/cm²的条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响.回流焊后在Sn3.0Ag0.5Cu/Ni和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu的界面上均形成了（Cu,Ni）₆Sn₅型化合物.时效过程中界面化合物随时效时间增加而增厚,时效800 h后两端的化合物并没有发生转变,仍为（Cu,Ni）₆Sn₅型.电流方向对Cu基板的消耗起着决定作用.当电子从基板端流向芯片端时,电流导致基板端Cu焊盘发生局部快速溶解,并导致裂纹在Sn3.0Ag0.5Cu/（Cu,Ni）₆Sn₅界面产生,溶解到钎料中的Cu原子在钎料中沿着电子运动的方向向阳极扩散,并与钎料中的Sn原子发生反应生成大量的Cu₆Sn₅化合物颗粒.当电子从芯片端流向基板端时,芯片端Ni UBM层没有发生明显的溶解,在靠近阳极界面处的钎料中有少量的Cu₆Sn₅化合物颗粒生成,电迁移800 h后焊点仍保持完好.电迁移过程中无论电子的运动方向如何,均促进了阳极界面处（Cu,Ni）₆Sn₅的生长,阳极界面IMC厚度明显大于阴极界面IMC的厚度.与Ni相比,当Cu作为阴极时焊点更容易在电迁移作用下失效.     

快速热冲击下SAC305/Cu焊点氧化行为与金属间化合物生长动力学（英文）

通过电磁感应加热装置，研究SAC305/Cu焊点氧化行为和界面金属间化合物(IMC)生长动力学。结果表明，快速热冲击下焊点自身氧化行为是主要因素，内部的Cu₆Sn₅IMC会加剧焊点的氧化。Cu₆Sn₅层的生长由晶界扩散控制，Cu₃Sn层的生长则由体扩散控制。基底溶解的Cu原子主要扩散到界面IMC和焊料的内部。在快速热冲击下，焊点剪切强度大幅度降低，72 h后下降49.2%。断裂机制由韧性断裂向韧脆性混合断裂转变，最终转变为脆性断裂。     

BGA焊点界面化合物纳米压痕力学行为

利用纳米压痕法对BGA焊点(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面化合物(IMC)进行了压痕试验.基于Oliver-Pharr法确定了(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn的弹性模量和压痕硬度,研究了加载速率对IMC纳米压痕力学行为的影响及其变化规律.结果表明,锯齿流变效应与加载速率的大小是相关的.在加载速率较小的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn都具有锯齿流变效应,但程度不同;在加载速率较大的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₃Sn锯齿流变效应不明显,而Cu₆Sn₅的锯齿流变效应相对明显.(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面IMC的弹性模量分别为126,118,135 GPa;压痕硬度分别为6.5,6.3,5.8 GPa;含镍的(Cu,Ni)₆Sn₅化合物弹性模量和压痕硬度均比Cu₆Sn₅的值要高.     

Sn3.0Ag0.5Cu/Cu回流焊点界面化合物尺寸分布特征及生长机制

在电子封装过程中,钎料与基体之间形成金属间化合物层,其主要成分为Cu₆Sn₅,Cu₆Sn₅晶粒的尺寸和形貌特征能够显著影响焊点的服役性能. 采用回流焊的方法制备了一系列Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点,使用Image-Pro Plus软件对焊接界面化合物Cu₆Sn₅晶粒的尺寸分布和化合物层的厚度进行了统计分析. 结果表明,Cu₆Sn₅的平均粒径正比于t0.38(t为回流时间), 界面化合物层的平均厚度正比于t0.32. 随着回流时间的增加,界面化合物生长速度变慢,Cu₆Sn₅晶粒的尺寸分布更加均匀. 回流时间较长的样品中Cu₆Sn₅的粒径尺寸分布与FRD模型的理论曲线基本相符,而对于回流时间短的样品,晶粒尺寸分布与FRD理论偏离较大. 统计结果显示,出现频次最高的晶粒尺寸小于平均值. 最后讨论了界面Cu₆Sn₅晶粒的生长机制,分析了回流时间对界面Cu₆Sn₅晶粒生长方式的影响.     

基于原位观察Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu钎焊接头110℃时效过程中的显微结构

基于自制原位观察装置,研究了Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点在110℃恒温时效下,0~168 h不同时效时间界面金属间化合物(IMC)的微观形貌和生长变化规律.结果表明,随着时效时间的延长,界面IMC(Cu₆Sn₅和Cu₃Sn)的厚度在不断增加;同时IMC的生长具有三维特性;随着时效时间的延长,Cu₆Sn₅在纵向方向上变化比较明显,高度是逐渐降低的;而在横向方向上变化较慢.SEM研究发现,时效过程中界面IMC的形貌由扇贝状转变成较为平整的层状,并出现分层现象.     

时效处理对镍/巴氏合金界面组织及性能的影响

为了考究铜基轴瓦的加速破坏过程,主要分析等温时效处理对巴氏合金基体及Sn/Cu接头、Sn/Ni接头、镍/巴氏合金静浇试样的界面组织和结合强度的影响规律.结果表明,经176℃,500 h时效处理后,巴氏合金基体中Cu₆Sn₅相的比例显著增加;镍/巴氏合金界面化合物相（可能是Ni₃Sn₄相）呈现增厚趋势,其增厚速度慢于Cu₆Sn₅相的增长.随着时效时间延长,Sn/Cu、镍/巴氏合金的结合强度均逐渐降低,500 h后分别降至22和48 MPa,前者降低的原因是界面附近Cu₆Sn₅脆性相的堆积生长,后者虽降低但仍满足技术要求.在铜基体表面增加镍中间层可有效抑制Cu₆Sn₅相的形成,保证时效处理后铜基轴瓦的工业使用性.     

回流时间对纯铜基板Sn0.3Ag0.7Cu钎料钎焊焊点组织和力学性能影响

以Sn0.3Ag0.7Cu为钎料,纯Cu板为基板,采用过渡液相扩散焊工艺制备Cu/Cu₃Sn/Cu₆Sn₅/Cu₃Sn/Cu多层结构全金属间化合物焊点,通过扫描电子显微镜和能谱仪分析了焊点的组织形貌和成分,测试了焊点的抗剪强度,研究了界面金属间化合物的生长机理。结果表明,由于温度梯度的影响,冷端Cu₆Sn₅生长速度大于热端。回流时间为5 h时,焊缝形成全金属间化合物,焊缝界面较为平整且无缺陷,抗剪强度由32.16 MPa降至21.29 MPa,降低了33.8%,断裂模式由塑性断裂最终演变为脆性断裂。     

Cu基板粗糙度对SnAgCu无铅钎料润湿性的影响

在微电子封装软钎焊领域,钎料的润湿性直接决定焊接接头的性能.文中以不加入外来元素为前提,以SAC305/Cu钎焊体系为研究对象,完成了SAC305钎料在不同粗糙度Cu基板上的润湿铺展试验,研究了Cu基板粗糙度对SnAgCu钎料润湿性及SnAgCu/Cu界面化合物形貌与分布的影响.结果表明,?SnAgCu钎料在Cu基板上...     

电子封装中Cu/Sn/Cu焊点组织演变及温度对IMC立体形貌影响

通过电镀的方法在抛磨好的铜基体沉积4 μm的锡层,并组合成一个Cu/Sn/Cu结构.分别选择240℃、1 N作为钎焊温度和钎焊压力,在不同的钎焊时间下制备焊点,分析了Cu/Sn/Cu焊点组织演变规律.分别制备了不同钎焊温度下（240,270,300℃） Cu₆Sn₅和Cu₃Sn的立体形貌,分析了温度对Cu₆Sn₅和Cu₃Sn立体形貌的影响规律.结果表明,钎焊30 min后Cu₆Sn₅为平面状,随着钎焊时间的增加逐渐转变成扇贝状.在扇贝底部的Cu₃Sn要比扇贝两侧底部的Cu₃Sn厚.增加钎焊时间锡不断被反应,上下两侧Cu₆Sn₅连成一个整体.继续增加钎焊时间Cu₆Sn₅不断转变成为Cu₃Sn.随着钎焊温度的升高Cu₆Sn₅的立体形貌逐渐由多面体状转变成匍匐状,而Cu₃Sn晶粒随着钎焊温度上升不断减小.     

Ni-CNTs增强颗粒对Sn58Bi-0.1Er焊点组织与力学性能的影响

采用真空熔炼方法制备了不同Ni-CNTs含量的Sn58Bi-0.1Er钎料合金,研究不同Ni-CNTs含量对Sn58Bi-0.1Er复合钎料在Cu 基板上的润湿性能的影响,并对不同Ni-CNTs含量下接头界面处金属间化合物的组织形貌及接头的剪切性能进行了分析. 结果表明,当Ni-CNTs 增强颗粒的添加为0.01% ~ 0.05%(质量分数)时,复合钎料合金在铜板上的润湿性得到了提高,随着Ni-CNTs含量的进一步增加,复合钎料在铜板上的润湿性开始呈下降趋势;随着Ni-CNTs的加入,Sn58Bi/Cu界面金属间化合物由锯齿状的Cu₆Sn₅转变成薄层状的(Cu, Ni)₆Sn₅, Ni-CNTs增强颗粒的加入可以有效减小界面金属间化合物层的厚度;Ni-CNTs增强颗粒的加入提高了Sn58Bi/Cu接头的剪切力,当Ni-CNTs的添加量为0.1%时,接头的剪切力最高为432.86 N,较Sn58Bi-0.1Er钎料接头的剪切力提升了两倍以上. Ni-CNTs增强颗粒的添加有效地改善了Sn58Bi-0.1Er接头的力学性能.     

Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu(Ni)焊点的抗时效性能

采用扫描电镜(SEM)研究在150 ℃等温时效下Cu/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu与Ni/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni焊点的界面扩散行为. 结果表明，在时效过程中，随着时效时间的增加，Cu/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu焊点界面金属间化合物(intermetallic compound，IMC)形貌由开始的细针状生长为棒状，IMC层厚度增加，界面IMC主要成分为(Cu,Ni)₆Sn₅. Ni/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni焊点的界面IMC形貌由细小突起状转变为较为密集颗粒状，且IMC层厚度增加，界面IMC主要成分为(Cu,Ni)₃Sn₄. 经过线性拟合，两种焊点的界面IMC层生长厚度与时效时间t1/2呈线性关系，Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu界面间IMC的生长速率为7.39 × 10?2 μm2/h，Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni界面间IMC的生长速率为2.06 × 10?2 μm2/h. 镀镍层的加入可以显著改变界面IMC的形貌，也可降低界面IMC的生长速率，抑制界面IMC的生长，显著提高抗时效性能.     

Solid-liquid Interdiffusion Bonding of Cu/Sn/Ni Micro-joints with the Assistance of Temperature Gradient

A novel solid-liquid interdiffusion (SLID) bonding method with the assistance of temperature gradient (TG) was carried out to bonding Cu and Ni substrates with Sn as interlayer. The element distribution and grain morphology of interfacial intermetallic compound (IMC) in Cu/Sn/Ni micro-joints during both SLID and TG-SLID bonding and in the final Cu/(Cu,Ni)₆Sn₅/Ni full IMC micro-joints were analyzed. Under the effect of Cu-Ni cross-interaction, interfacial (Cu,Ni)₆Sn₅ dominated the IMC growth at all the interfaces. The morphology of the (Cu,Ni)₆Sn₅ grains was closely related to Ni content with three levels of low, medium and high. The full IMC micro-joints consisted of L-(Cu,Ni)₆Sn₅, M-(Cu,Ni)₆Sn₅ and H-(Cu,Ni)₆Sn₅ grains after SLID bonding or TG-SLID bonding with Ni as hot end, while only L-(Cu,Ni)₆Sn₅ grains after TG-SLID bonding with Cu as hot end, showing that the direction of TG had a remarkably effect on the growth and morphology of the interfacial (Cu,Ni)₆Sn₅ during TG-SLID bonding. Thermodynamic analysis revealed the key molar latent heat and critical Ni content between fine-rounded-like (Cu,Ni)₆Sn₅ and block-like (Cu,Ni)₆Sn₅ were 17,725.4 J and 11.0 at.% at 260 °C, respectively. Moreover, the growth kinetic of the interfacial IMC was analyzed in detail during bonding with and without TG. Under the combination of TG and Cu-Ni cross-interaction, void-free full IMC micro-joints were fast formed by TG-SLID bonding with Cu as hot end. This bonding method may present a feasible solution to solve the problems of low formation efficiency and inevitable Cu₃Sn growth of full IMC joints for 3D packaging applications.     

焊接时间及焊接温度对Sn35Bi0.3Ag/Cu焊接接头性能的影响

分别在不同焊接时间和不同焊接温度下制备了Sn35Bi0.3Ag/Cu焊接接头,采用扫描电子显微镜(SEM)、万能拉伸试验机、超声波成像无损探伤检测仪等测试手段,研究了焊接时间(1～9 min)和焊接温度(210～290℃)对Sn35Bi0.3Ag/Cu焊接接头微观结构和力学性能的影响.结果表明,在焊接过程中,Cu元素扩散到焊接界面处,形成了(Cu₆Sn₅,Cu₃Sn)界面层,同时发现生成的Ag3Sn相能够抑制界面层的生长.随着焊接时间的延长或焊接温度的升高,反应层变厚,抗剪强度先增大后减小.对焊接接头断口形貌分析发现,焊接接头的断裂由Bi相颗粒及Cu₆Sn₅颗粒共同作用.焊接接头的断裂发生在IMC/焊料一侧,Bi相颗粒及Cu6Sn5颗粒共同影响着接头的抗剪强度.此外,当焊接时间为3 min、焊接温度为230℃时,接头的钎着率最大,为99.14%,抗剪强度达到最大值,为51.8 MPa.