Sn-6.5Zn钎料/Cu基板焊点界面特征与金属间化合物的形成机理

对255℃时Sn-6.5Zn钎料/Cu基板界面反应及金属间化合物的形成与转化进行热力学计算与分析,并利用SEM、EDS、XRD研究分析255℃不同钎焊时间条件下钎料/Cu基板界面组织与IMC层形态特征。结果表明:Sn-6.5Zn钎料/Cu焊点界面紧靠Cu基板侧形成CuZn层;CuZn IMC有与钎料中的Zn原子继续反应生成Cu5Zn8 IMC的趋势;在相同钎焊温度条件下,不同钎焊时间对界面厚度影响不大;随钎焊时间延长,Sn-6.5Zn钎料/Cu基板焊点界面IMC层的平均厚度增大,界面粗糙度则由于不同钎焊时间IMC在液态钎料中生长与溶解的差异,呈现先增大而后降低到一个均衡值的变化趋势。     

Cu颗粒增强的Sn-9Zn复合钎料/Cu钎焊接头界面反应

研究了长时间再流焊条件下,在粉状Sn-9Zn无铅钎料中加入Cu颗粒增强质点(复合钎料)对Sn-9Zn/Cu钎焊接头界面反应的影响.结果表明,在Sn-9Zn无铅钎料中加入Cu颗粒,可有效降低Sn-9Zn/Cu钎焊接头界面金属间化合物(IMC)的生长速度,从而减小界面IMC层的厚度,减少IMC层内的柯肯达尔(Kirkendall)缺陷;IMC层的厚度随再流焊时间的增加而增加,随Cu颗粒加入量的增加而减小.在现试验条件下,IMC层由Cu-Zn金属间化合物组成,未检测到Cu-Sn金属间化合物的存在.     

微量Nd对Sn-6.5Zn合金及钎料/Cu界面结构的影响

研究了微量稀土元素Nd的添加对Sn-6.5Zn合金组织及钎料/Cu焊点界面金属间化合物(IMC)特征的影响.结果表明:微量Nd元素在Sn-6.5Zn钎料中的添加能够显著细化合金组织和形成均匀细密界面IMC层;添加0.1 wt％Nd元素即能促进钎料/Cu焊点界面反应及界面区域成分的均匀性.     

Sn-Zn钎料/Cu基板焊点界面元素扩散与IMC形成热力学分析

对270℃条件下Sn-Zn钎料/Cu基板焊点界面反应进行了热力学计算与分析,并利用SEM、EDS、XRD及显微硬度计对焊点界面进行了检测与分析。结果表明:界面Cu基板侧金属间化合物(IMC)CuZn层的形成是自发的,钎料侧形成的CuZn持续与扩散过来的Zn原子反应生成Cu5Zn8;Cu原子越过界面IMC层向钎料中的扩散与聚集呈现"脉动"形式,在临近结合面的钎料中形成粒状Cu5Zn8 IMC,并造成靠近界面区钎料中的Zn元素含量呈现间隔的"减少-聚集"现象;界面IMC层未造成焊点界面硬度突变。     

85℃时效Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点界面化合物生长行为

以Sn-9Zn/Cu焊点为参比物,研究了Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点在85℃时效条件下界面金属间化合物(IMC)的生长行为。结果表明,相同钎焊工艺条件下,与Sn-9Zn/Cu相比,Sn-8Zn-3Bi/Cu界面反应更为充分。在85℃时效过程中,Sn-9Zn/Cu界面IMC结构稳定,Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点界面IMC生长速率变化不大,界面IMC层增厚速率在界面反应初期较快而在后期则显著下降。Bi的添加对合金熔点的降低促进了界面初期反应过程的充分进行。随着界面反应时间的延长,Bi对Cu-Zn(IMC)层的生长表现出明显的抑制作用,界面IMC生长动力学时间指数显著减小。     

硼酸铝晶须对Sn-58Bi/Cu界面金属间化合物 层演变及剪切行为的影响

研究了硼酸铝晶须对Sn-58Bi/Cu界面金属间化合物(IMC)层组织演变的影响.结合钎焊接头显微组织、剪切性能以及断口形貌,分析了Sn-58Bi-1.2%Al₁₈B₄O₃₃钎焊接头的断裂机理.结果表明,硼酸铝晶须的加入可以细化钎料组织,抑制大块富铋相的出现;钎料/基板界面IMC层厚度和晶粒粒径均随着重熔次数的增加而增大,但硼酸铝晶须的加入能够阻碍界面IMC层的增厚和晶粒粗化,提高钎焊接头的性能;不同重熔次数下Sn-58Bi-1.2% Al₁₈B₄O₃₃/Cu钎焊焊点比Sn-58Bi/Cu钎料焊点能承受更高的剪切载荷,且经过多次重熔后接头强度保持稳定.     

热循环对Sn58Bi(纳米Ti)/Cu焊点界面与性能影响

为了改善Sn-58Bi低温钎料的性能,通过在Sn-58Bi低温钎料中添加质量分数为0.1%的纳米Ti颗粒制备了Sn-58Bi-0.1Ti纳米增强复合钎料。在本文中,研究了纳米Ti颗粒的添加对-55～125 _^oC热循环过程中Sn-58Bi/Cu焊点的界面金属间化合物(IMC)生长行为的影响。研究结果表明：回流焊后,在Sn-58Bi/Cu焊点和Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的界面处都形成一层扇贝状的Cu₆Sn₅ IMC层。在热循环300次后,在Cu₆Sn₅/Cu界面处形成了一层Cu₃Sn IMC。Sn-58Bi/Cu焊点和Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度均和热循环时间的平方根呈线性关系。但是,Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度明显低于Sn-58B/Cu焊点,这表明纳米Ti颗粒的添加能有效抑制热循环过程中界面IMC的过度生长。另外计算了这两种焊点的IMC层扩散系数,结果发现Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层扩散系数(整体IMC、Cu₆Sn₅和Cu₃Sn IMC)明显比Sn-58Bi/Cu焊点小,这在一定程度上解释了Ti纳米颗粒对界面IMC层的抑制作用。     

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.     

液-固电迁移Ni/Sn-9Zn/Ni焊点反极性效应研究

研究了230℃,5×103A/cm2条件下液-固电迁移对Ni/Sn-9Zn/Ni线性焊点界面反应的影响.在液-固电迁移过程中,Ni/Sn-9Zn/Ni焊点表现出明显的反极性效应,即阴极界面金属间化合物(IMC)持续生长变厚,并且一直厚于阳极界面IMC.由于排除背应力的影响,Sn-9Zn液态钎料中Zn原子的反常迁移行为归因于其有效电荷数在高温下为正值,即在电子风力作用下Zn原子向阴极界面定向迁移,从而导致焊点在液-固电迁移过程中发生反极性效应.回流焊后,Ni/Sn-9Zn/Ni焊点两侧界面上均生成了较薄的Ni5Zn21层.液-固界面反应过程中(无电流)焊点两侧界面IMC均随时间延长而生长变厚,从而消耗钎料中的Zn原子并使界面处的相平衡发生变化,导致界面IMC由Ni5Zn21转变为[Ni5Zn21+(Ni,Zn)3Sn4].与之相较,液-固电迁移过程中阴阳两极界面IMC的类型一直为Ni5Zn21,并未发生IMC类型的转变.这是由于,在电子风力作用下,阴极界面附近钎料中Zn原子的含量充足,Zn与Ni反应生成Ni5Zn21型IMC;同时,电子风力也阻碍了Zn原子向阳极界面的扩散,从而抑制了阳极界面IMC的生长,导致界面IMC较薄,因此阳极界面也未发生IMC类型的转变.此外,运用反证法进一步验证了Zn的有效电荷数在高温下是正值.     

微量Zn颗粒对Sn-0.7Cu-xZn钎料焊点组织及力学性能的影响

研究了微量Zn颗粒对Sn-0.7Cu钎料焊点微观组织、钎料铺展性能及Cu/Sn-0.7Cu-x Zn/Cu接头力学性能的影响。结果表明:适量Zn颗粒的添加可以细化钎料组织,减小界面IMC的厚度,提高钎料的铺展性能和硬度;过量Zn的添加则会粗化钎料组织,增大界面IMC的厚度,降低钎料的铺展性能和硬度值;接头抗拉强度随Zn的添加呈先增大后减小的趋势。当Zn含量小于0.20wt%拉伸断口类型为韧断,超过0.20wt%,拉伸断口类型为脆断。Zn的最佳添加量为0.20 wt%。     

Sn-Pb共晶钎料在铜基板及金属间化合物基板上的润湿动力学

对锡-铅共晶钎料63Sn-37Pb在Cu基板及Cu-Sn金属间化合物表面层基板上的反应润湿动力学特性进行研究.结果表明:63Sn-37Pb钎料在Cu基板上的铺展特性随界面反应过程中液态钎料中Sn组元的消耗而变化;钎料熔化后的初始铺展符合简单流体规律,随后在Sn组元充足的条件下钎料以稳定速率铺展;随着Sn组元的不断消耗,润湿机制呈现界面活性元素扩散控制的反应铺展特征;63Sn-37Pb在Cu-Sn IMC表面层基板上呈现出非常好的铺展能力,远优于其在Cu基板上的铺展.     

添加0.10%Ce对Sn-0.7Cu-0.5Ni焊料与Cu基板间界面IMC的影响

研究Sn-0.7Cu-0.5Ni-xCe(x=0,0.1)焊料与铜基板间543K钎焊以及453K恒温时效对界面金属间化合物(IMC)的形成与生长行为的影响。结果表明:往Sn-0.7Cu-0.5Ni焊料合金中添加0.10%Ce,能抑制等温时效过程中界面IMC的形成与生长;焊点最初形成的界面IMC为Cu6Sn5,时效10d后,Sn-0.7Cu-0.5Ni和Sn-0.7Cu-0.5Ni-0.10Ce这2种焊料中均有Cu3Sn形成,与Sn-0.7Cu-0.5Ni/Cu焊点相比,Sn-0.7Cu-0.5Ni-0.10Ce/Cu界面IMC层较为平整;该界面IMC的形成与生长均受扩散控制,主要取决于Cu原子的扩散,添加稀土元素Ce能抑制Cu原子的扩散,Sn-0.7Cu-0.5Ni和Sn-0.7Cu-0.5Ni-0.10Ce焊点界面IMC层的生长速率分别为6.15×10-18和5.38×10?18m2/s。     

热循环对Sn-58Bi-xCNTs/Cu钎焊接头微观组织与力学性能的影响

研究了热循环对Cu/Sn-58Bi/Cu和Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu接头的微观组织、界面金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)形貌、厚度变化及焊点抗拉强度和拉伸断口形貌的影响规律。结果表明,随着热循环周次的增加,钎料微观组织均出现了粗化现象,且在同一热循环条件下,Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu接头组织较为细小;焊点界面IMC层厚度均随热循环周次的增加而出现不断增厚的趋势,且石墨化多壁碳纳米管(CNTs)颗粒增强Sn-58Bi复合钎料焊点界面IMC层长大的趋势较为缓慢;热循环周次增加,接头的抗拉强度均呈现下降趋势;热循环处理后的Cu/Sn-58Bi/Cu焊点和Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点拉伸断口形貌主要由韧窝和少量解理面组成,Cu/Sn-58Bi/Cu焊点的断裂机制从韧性断裂转变为韧-脆混合断裂模式,Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点的断裂机制均为韧性断裂。     

复合添加Ga,Al,Ag对Sn-9Zn钎料性能的影响

采用润湿平衡法研究了合金元素Ga,Al,Ag复合添加对Sn-9Zn钎料润湿性的影响.结果表明,Ga,Al,Ag的最佳添加量分别为0.2,0.002,0.25(质量分数,%);添加合金元素后钎料的高温抗氧化性能显著提高.俄歇电子能谱分析表明,Sn-9Zn-0.2Ga-0.002Al-0.25Ag钎料表面Al高度富集并形成一层致密的氧化膜,可阻挡氧向液态钎料内部扩散,减少钎料的氧化.Sn-9Zn-0.2Ga-0.002Al-0.25Ag钎料与Cu/Ni/Au基板之间的金属间化合物由一层平坦的AuZn3和颗粒状的AuAgZn2化合物组成.另外,微焊点力学试验表明,采用Sn-9Zn-0.2Ga-0.002Al-0.25Ag钎料时,电子元器件与基板间微焊点的力学性能比Sn-9Zn钎料略有提高.     

电流密度对Cu/Sn-9Zn/Ni焊点液-固电迁移行为的影响

采用同步辐射实时成像技术对比研究了不同电流密度对Cu/Sn-9Zn/Ni焊点液-固电迁移行为和界面反应的影响。结果表明,当电流密度为5.0×10~3A/cm~2时,无论电子方向如何,钎料中的Zn原子均定向扩散至Cu侧界面参与界面反应,导致Cu侧界面处金属间化合物(intermetallic compounds,IMC)的厚度大于Ni侧界面处IMC的厚度;而当电流密度升高至1.0×10~4和2.0×10~4 A/cm~2时,钎料中的Zn原子均定向扩散至阴极界面,界面IMC的生长表现为"反极性效应",电流密度越高界面IMC的"反极性效应"越显著。液-固电迁移过程中Cu基体消耗明显,特别是在高电流密度条件下,电子从Ni侧流向Cu侧时,Cu基体的溶解厚度与时间呈现线性关系,电流密度越高Cu基体的溶解速率越快。此外,基于焊点中原子电迁移通量J_(em)和化学势通量J_(chem)对Zn原子和Cu在不同电流密度下的迁移行为进行了研究。     

不同钎剂对Sn-Zn系无铅钎料润湿特性的影响

采用润湿平衡法研究了在znC12一NH4C1、中等活性松香(RMA)和免清洗三种不同钎剂作用下,Sn-Zn无铅钎料在Cu基板上的润湿特点.结果表明,使用ZnC12-NH4C1钎剂时,Sn-Zn钎料具有良好的润湿性能;研究了不同钎剂下,Sn-9Zn钎料在Cu基板上的铺展情况,并分析比较了焊点界面金属间化合物层的特征.Sn-Zn钎料与Cu基板界面形成的金属间化合物在靠近Cu基板一侧较为平坦,而在钎料一侧呈扇贝状,而且,不同钎剂能影响钎料在Cu基板上的润湿、铺展性能,界面金属间化合物特征及焊点外观;Sn-Zn钎料表面存在大量ZnO,去除钎料表面ZnO是开发针对Sn-Zn系无铅钎料专用钎剂的关键.     

Sn-5Sb-CuNiAg/Ni微焊点抗时效性能的研究

以适合功率器件互联的Sn-5Sb基钎料与Cu镀Ni基板连接为研究对象,研究Sn-5Sb钎料中添加Cu,Ni,Ag元素对接头的抗时效性能的影响。将三种Sn-5Sb-CuNiAg钎料、Sn-5Sb,SAC305分别与Cu镀Ni基板连接,借助SEM和EDX,进行微观组织对比分析,研究体钎料在时效过程中的基体组织及化合物的演变规律,界面化合物的生长随时效时间的演变规律。结果表明,Sn-5Sb-CuNiAg和SAC305体钎料中主要为块状化合物(Cu,Ni)_6Sn_5和颗粒状银锡化合物,Sn-5Sb体钎料主要为块状化合物(Cu,Ni)_6Sn_5。随时效时间延长,体钎料中的化合物均变得粗大。界面化合物层明显变厚,化合物形貌从不规则的锯齿状逐渐向平缓均匀的层状转变。Sn-5Sb-CuNiAg焊点的界面化合物层厚度比Sn-5Sb、SAC305焊点的界面化合物层厚度相对要薄,Sn-5Sb-CuNiAg焊点具有更好的抗热时效性能。添加0. 5%质量分数的Cu和0. 1%质量分数的Ni元素对界面IMC的生长速率有抑制作用。     

时效时间对Sn-0.7Cu-xNi钎焊接头界面IMC生长行为和拉伸性能的影响

研究了不同时效时间下Sn-0.7Cu及Sn-0.7Cu-0.05Ni钎焊接头界面IMC的生长行为和拉伸性能的演变规律。结果表明,Cu/Sn-0.7Cu/Cu和Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu接头的界面IMC层厚度均随时效时间的增加而增加,适量添加Ni颗粒可以有效抑制该层的长大趋势;两种接头的抗拉强度均随时效时间的增加呈下降趋势,断裂形式由焊后的韧性断裂转变为脆性断裂;对这两种接头进行对比发现,适量的Ni颗粒可以使钎焊接头在获得较高抗拉强度的同时仍保持较好的塑形性能。     

Sn-9Zn/Cu焊点界面金属间化合物层结构研究

研究了过热度、冷却速率和时效处理对Sn-9Zn/Cu界面金属间化合物的形成及厚度的影响,并与同等条件下的Sn-3.5Ag-0.7Cu/Cu和Sn-37Pb/Cu界面作了比较。通过XRD、SEM及EPMA等检测发现,在Sn-9Zn/Cu界面上形成的金属间化合物可分为2层:近Cu侧的Cu-Zn化合物层和近焊料侧的Cu-Zn-Sn化合物层,同时在2层化合物的分界面上还检测出了大量的O。试验还发现,熔融过热度和冷却速率对焊料/Cu界面上金属间化合物的厚度有较大影响,随着熔融保温温度的升高和冷却速率的下降,厚度增加,且Sn-9Zn/Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu/Cu界面受熔融过热度和冷却速率的影响比Sn-37Pb/Cu界面大。在250℃+空冷的时效过程中,由于界面上Cu-Zn化合物层分解和Cu-Zn-Sn化合物层生长相互竞争,导致Sn-9Zn/Cu界面金属间化合物的厚度变化无明显规律。     

Sn-9Zn钎料与内加Cu质点和Cu基体界面生长行为

在Sn-9Zn无铅钎料中加入Cu金属质点,研究在长时间钎焊条件下钎料/Cu质点、钎料/Cu基体界面金属间化合物（IMCs）的生长行为。结果表明：在钎料/Cu质点和钎料/Cu基体界面处都生成Cu-Zn相（IMCs）,其组成为Cu5Zn8＋CuZn或Cu5Zn8,而且钎料/质点界面处IMCs的生长速度明显快于钎料/基体处;同时发现,Cu质点的加入大大减小了钎料/Cu基体界面IMCs的厚度。由于Cu质点原位生成Cu-Zn IMCs,消耗了焊点中的Zn,因此Sn-9Zn/Cu接头的可靠性得以提高。