空位对Cu/Sn无铅焊点界面元素扩散的影响

界面柯肯达尔空洞形成的过程伴随着空位的形成与扩散,对空位行为的研究有利于深入理解界面扩散和空洞形成过程. 运用分子动力学方法模拟Cu/Cu₃Sn界面上空位对扩散的影响,计算空位形成能、扩散势垒及空位扩散激活能. 结果表明,相同条件下含空位的模型发生扩散的几率要高于不含空位的模型. 另外,计算表明铜晶体的空位形成能大于Cu₃Sn晶体中铜空位的形成能;Cu₃Sn晶格中不同晶位的Cu空位(Cu1空位和Cu2空位)的形成能比较接近,但均小于锡的空位形成能. 此外,对Cu/Cu₃Sn界面的空位扩散势垒及空位扩散激活能的计算结果表明,Sn原子的空位扩散激活能高于Cu原子.     

Sn-2．5Ag-0．7Cu-0．1RE／Cu时效点界面IMC的生长行为

采用扫描电镜及X射线衍射等检测手段,研究了Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1RE/Cu在时效过程中界面区金属间化合物(IMC)的形成和生长特点.试验结果表明,钎焊接头在85、125、150 ℃时效时,在靠近Cu侧形成层状Cu3Sn IMC.随时效时间延长,钎焊后形成的波浪状Cu6Sn5 IMC转变为较大尺寸的扇贝状,然后再转变为层状.时效过程中钎焊界面Cu6Sn5IMC和Cu3Sn IMC的生长厚度均与时效时间的平方根呈线性关系,其生长受扩散机制控制,激活能分别为81.7和92.3 kJ/mol.     

Sn/Cu互连界面化合物在固-液扩散条件下的生长

文中考察了Sn/Cu互连界面在固-液扩散过程中的界面反应动力学、热力学行为,考察了固-液反应时间、温度对Sn/Cu界面化合物的影响,分析了不同温度条件下(250,280,310℃)化合物的生长速率,并在该温度范围内计算了Sn/Cu界面化合物的生长激活能数据,得到界面化合物在固-液扩散条件下随时间的延长受制于扩散过程的结论。其激活能约为固态保温条件下激活能的一半,扩散系数则比固态时效的高约3~4个数量级。     

锌对SnxZn/Cu界面微空洞的影响

通过向锡钎料中添加不同含量的Zn元素,系统研究了锌对SnxZn/Cu(x=0,0.2,0.5,0.8(质量分数,％))界面处柯肯达尔空洞形成的影响.结果表明,经热老化处理后,纯Sn/Cu接头中的Cu3 Sn层和Cu3 Sn/Cu界面出现了大量柯肯达尔空洞.然而随着Zn元素含量的增加,反应界面处的Cu3Sn层逐渐变薄甚至消失,柯肯达尔空洞也随之显著减少或消失;锌在反应界面处的富集现象越来越显著.锌参与了界面反应,形成了(Cu,Zn)6Sn5相、Cu6(Sn,Zn)5相和Cu-Zn固溶合金,其中Cu-Zn固溶合金层可以显著影响铜的界面扩散.Zn元素直接参与了界面扩散,在很大程度上缓和铜和锡的不平衡扩散,从而有效抑制了柯肯达尔空洞的形成.     

Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu界面金属间化合物生长行为

基于自制多场耦合装置,研究了Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu钎焊接头在多场耦合时效过程中界面金属间化合物(IMC)的显微组织变化和生长行为。结果表明,在相同的时效时间内,时效温度越高,界面IMC生长越快。当钎焊接头在85、125和150℃多场耦合时效时,IMC的形貌由扇贝状转变为较平整的层状。在多场耦合时效过程中,在Cu6Sn5层中发现了白色的Ag3Sn颗粒,而且普遍出现在Cu6Sn5凹陷处。界面IMC的生长厚度与时效时间的平方根成线性关系,其生长受扩散机制影响。多场耦合时效降低了界面IMC的激活能,整个IMC层的激活能为49 kJ/mol。     

Sn-58Bi无Pb焊料与化学镀Ni-P层之间的界面反应

研究了Sn-58Bi共晶焊料与Cu的界面反应以及在Cu基体上化学镀Ni-P层的界面反应．焊接温度为180℃，焊接后时效温度范围为60-120℃，时间为5-30d．利用SEM，EDAX，XRD对反应产物进行了鉴定．结果表明，焊料与Cu的界面反应产物为Cu6Sn5，与化学镀Ni-P层的界面反应产物为Ni3Sn4，在Ni3Sn4与Ni-P层之间存在一层富P层．在同样条件下，Cu6Sn5的生长速度要快于Ni3Sn4的速度．化学镀Ni-P层中P含量较高时进一步抑制Ni／Sn界面反应生成Ni3Sn4的速度．界面金属间化合物层生长动力学符合x=(kt)^1/2关系，表明界面反应由扩散机制控制．由实验结果计算，Cu6sn5的表观激活能为90．87kJ／mol；Ni3Sn4的表观激活能则与化学镀Ni-P层中P含量有关，当镀层P含量为9％与16％(原子分数)时，其表观激活能分别是101．43kJ／mol与117．31kJ／mol．     

电迁移促进Cu/Sn-58Bi/Cu焊点阳极界面Bi层形成的机理分析

研究了Cu/Sn-58Bi/Cu对接接头焊点在电流密度为5×103～1.2×104A/cm2条件下钎料基体中阳极界面Bi层的形成机理.电迁移过程中,Bi元素为主要的扩散迁移元素,在电迁移力的作用下由阴极向阳极进行迁移.由于Bi原子的扩散迁移速度比Sn原子要快,促使Bi原子首先到达阳极界面.大量的Bi原子聚集在阳极界面时,形成了压应力,迫使Sn原子向阴极进行迁移,于是在阳极界面处形成了连续的Bi层.阴极处由于金属原子的离去,形成了拉应力,导致了空洞和裂纹在界面处的形成.Bi层的形态主要分为平坦的Bi层和带有凹槽的Bi层.Bi原子进行扩散迁移的通道有三种:Bi晶界、Sn晶界和Sn/Bi界面.随着电流密度和通电时间的增加,Bi层的厚度逐渐增加.电迁移力和焦耳热的产生成为Bi原子扩散迁移的主要驱动力.     

温度梯度作用下的Ni/Sn/Cu焊点界面反应分析

采用Ni/Sn/Cu互连焊点作为研究对象,在不涉及电迁移效应条件下,设置温度梯度为TG=1 046℃/cm,研究在热迁移作用下镍为热端、铜为冷端时界面金属间化合物(intermetallic compound,简称IMC)的显微组织变化. 结果表明,随着热迁移加载时间的增加,冷、热两端界面IMC的厚度都增加,但冷端界面IMC的生长速率大于热端.EDS分析表明,界面IMC是(Cu,Ni)6Sn5相,并且热端IMC中的Ni元素含量高于冷端. 另外,在冷端的界面(Cu,Ni)6Sn5相中观察到大量的空洞,且在(Cu,Ni)6Sn5/Cu界面之间没有观察到Cu3Sn.     

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.     

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.     

Suppressing effect of 0.5 wt.% nano-TiO2 addition into Sn-3.5Ag-0.5Cu solder alloy on the intermetallic growth with Cu substrate during isothermal aging

This study investigated the effects of adding 0.5 wt.% nano-TiO₂ particles into Sn3.5Ag0.5Cu (SAC) lead-free solder alloys on the growth of intermetallic compounds (IMC) with Cu substrates during solid-state isothermal aging at temperatures of 100, 125, 150, and 175 °C for up to 7 days. The results indicate that the morphology of the Cu₆Sn₅ phase transformed from scallop-type to layer-type in both SAC solder/Cu joints and Sn3.5Ag0.5Cu-0.5 wt.% TiO₂ (SAC) composite solder/Cu joints. In the SAC solder/Cu joints, a few coarse Ag₃Sn particles were embedded in the Cu₆Sn₅ surface and grew with prolonged aging time. However, in the SAC composite solder/Cu aging, a great number of nano-Ag₃Sn particles were absorbed in the Cu₆Sn₅ surface. The morphology of adsorption of nano-Ag₃Sn particles changed dramatically from adsorption-type to moss-type, and the size of the particles increased.The apparent activation energies for the growth of overall IMC layers were calculated as 42.48 kJ/mol for SAC solder and 60.31 kJ/mol for SAC composite solder. The reduced diffusion coefficient was confirmed for the SAC composite solder/Cu joints.     

Solid state interracial reactions in electrodeposited Cu/Sn couples

Cu/Sn couples, prepared by sequentially electroplating Cu and Sn layers on metallized Si wafers, were employed to study the microstructures, phases and the growth kinetics of Cu-Sn intermediate phases, when electroplated Cu/Sn couples were aged at room temperature or annealed at temperatures from 373 K to 498 K for various time. Only Cu₆Sn₅ formed in aged couples or couples annealed at temperature below 398 K. The Cu₆Sn₅ layer was continuous, but not uniform, with protrusions extending into the Sn matrix. When Cu/Sn couples were annealed at temperatures from 423 K to 498 K, two continuous and uniform Cn₆Sn₅/Cu₃Sn layers formed within the reaction region between Sn and Cu. There were many voids near the Cu₃Sn/Cu interface and within the Cu₃Sn layer. Cu₆Sn₅ and Cu₃Sn formations both follow parabolic growth kinetics with activation energies of 41.4 kJ/mol for Cu₆Sn₅ and 90.4 kJ/mol for Cu₃Sn, respectively.     

热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu（Ni）界面化合物生长行为研究

对热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu钎料在Cu和Ni界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究。结果表明：再流焊后，在Sn-3．5Ag-0．5Cu／Ni界面上形成（CuxNi1-x）6Sn5化合物；热-剪切循环200周次后，（NixCu1-x）Sn3化合物在（CuxNi1-x）6Sn5化合物周围以片状快速长大；而Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面从钎焊到热-剪切循环720周次始终只存在Cu6Sn5金属化合物层。随着热-剪切循环周数的增加，（CuxNi1-x）6Sn5和Cu6Sn5化合物形态均从笋状向平面状生长。界面金属间化合物的厚度随循环周数的增加而增加，且生长基本遵循抛物线规律，说明Cu原子的扩散控制了（CuxNi1-x）6Sns和Cu6Sn5化合物的生长。     

Cu64Zr36非晶合金的晶化动力学

利用单辊急冷法制备了CH64Zr36非晶合金，使用盐浴等温退火并用DSC和XRD研究了其晶化过程、玻璃转变和晶化动力学。结果表明：CH64Zr36非晶合金的晶化过程为：非晶一非晶＋Cu10Zr7→Cu10Zr7＋CuZr2。该合金的玻璃转变和晶化激活能分别为433．7kJ／mol和603kJ／mol。     

锡在Cu6Sn5金属间化合物表面的润湿行为

利用改良座滴法研究了高真空条件下熔融纯Sn在350 ~ 450 ℃下分别与Cu₆Sn₅和T2纯铜的润湿行为. 结果表明,表面镀金的金属间化合物基板在各试验温度下的润湿性均优于纯铜基板;金属基板表面氧化膜对润湿性的影响不容忽视;离子溅射后表面形成的金膜可以作为一种改善润湿性及控制界面IMC厚度的有效方法;润湿性改善的机制为Sn与氧化膜的化学反应,界面析出IMC或者IMC的溶解过程并非限制铺展的主要因素;铺展过程表现出线性铺展规律,可用反应产物控制模型对其进行描述,计算得到Sn/Cu₆Sn₅和Sn/Cu两体系的铺展激活能分别为20.469 kJ/mol和22.270 kJ/mol.     

Ag/Cu钎焊复合带材轧制和退火研究

利用Ag-28Cu合金钎焊复合制备Ag/Cu复合材料,经轧制加工成复合带材。研究轧制变形和扩散退火对复合界面形貌、界面组织和性能的影响,以及界面元素扩散特征。结果表明,随着轧制变形量增加,Cu、Ag-28Cu和Ag发生协调变形,复合界面由波浪形,转变成锯齿状,最后Cu层整体向Ag层倾斜。随着加工率增加,Cu层硬度逐渐降低,Ag-28Cu层硬度显著升高,Ag层硬度不变。随着退火温度增加,界面组织逐渐长大粗化,复合层宽度增加。界面原子扩散行为主要是Cu原子向Ag中发生扩散,退火温度增加时,Ag-28Cu层中Cu原子向Ag侧逐渐减少,Ag层中的Cu原子含量增加,Cu和Ag层硬度没有发生变化,而Ag-28Cu层硬度逐渐降低。     

Stress relaxation behavior of an Al–Zn–Mg–Cu alloy in simulated age-forming process

The stress relaxation behavior of age-forming for an Al–Zn–Mg–Cu alloy was studied using a designed device that can simulate the age forming process. The mechanism of stress relaxation was also revealed through calculating thermal activation parameters and analyzing the microstructures. The results suggested that the stress relaxation behavior of the Al–Zn–Mg–Cu alloy in the simulated age-forming process can be divided into three stages according to the stress level. The three stages of stress relaxation are: (i) the initial high stress stage, (ii) the subsequent middle stress transition stage and (iii) the last low stress equilibrium stage, respectively. The deformation activation energies are 132 kJ/mol in the initial high stress stage, 119 kJ/mol in the subsequent middle stress transition stage and 91 kJ/mol in the last low stress equilibrium stage, respectively. The analysis of the thermal activation parameters and microstructures revealed that dislocation creep was the dominant deformation mechanism in the initial and subsequent stages of the stress relaxation; whereas diffusion creep is the mechanism in the last stage of the stress relaxation. Additionally, a special threshold stress phenomena was present in the stress relaxation of the age-forming process, which was scribed to the interaction between precipitation and dislocation in the Al–Zn–Mg–Cu alloy     

Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面的显微结构

研究了热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu钎料／Cu界面的显微结构，分析了界面金属间化合物的生长行为，并与恒温时效后的Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面进行了对比。结果表明：恒温时效至100h，Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上已形成Cu6Sn5和Cu3Sn两层金属间化合物；而热-剪切循环至720周Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上只存在Cu6Sn5金属间化合物层，无Cu3Sn层生成，在界面近域的钎料内，颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状；在热-剪切循环和恒温时效过程中，界面金属间化合物的形态初始都为扇贝状，随着时效时间的延长逐渐趋于平缓，最终以层状形式生长。     

CF／Al—4.5Cu复合材料界面产物的反应与生成机制

利用挤压铸造法制备了ＣＦ／Ａｌ－４．５Ｃｕ金属基复合材料，研究了该材料基体凝固过程中界面产物的反应与生成机制。实验结果表明：当界面反应温度高于５００℃时，生成Ａｌ４Ｃ３的办以应可自发进行，反应的活化能Ｑ＝２５４ｋＪ／ｍｏｌ．Ａｌ４Ｃ３的结晶与生长规律表现为：首先Ａｌ４Ｃ３依附在碳纤维表面形核；碳原子通过已形成的Ａｌ４Ｃ３和液态铝合金扩散，Ａｌ原子则通过Ａｌ４Ｃ３和液态铝合金扩散，Ａｌ原子则通过Ａｌ