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。     

钎焊时间对Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu钎焊接头界面化合物的影响

研究了不同钎焊时间下Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点界面金属间化合物生长变化规律和剪切强度变化。结果表明:随着钎焊时间增加,界面化合物平均厚度逐渐增加,且生长的时间指数为0.4。钎焊60s内界面化合物的生长速率较大;随着钎焊时间的增加,钎焊接头的抗剪切强度先增加后降低,这与界面处脆硬相Cu6Sn5生长行为密切相关。     

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.     

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.     

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.     

镧对Sn3.0Ag0.5Cu钎料组织及微米压痕性能影响

运用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱分析、微米压痕仪等仪器设备,研究了稀土元素La对Sn3.0Ag0.5C钎料组织及微米压痕性能性能影响。结果表明:微量稀土元素La对Sn3.0Ag0.5Cu钎料组织有显著影响,可使钎料共晶组织细化,分布均匀;元素La能使Sn3.0Ag0.5Cu压痕深度相对下降17.26%,压痕硬度增大19.14%,达到0.53GPa;研究认为La使Sn3.0Ag0.5Cu钎料组织变为细小,且分布均匀,是钎料微米压痕得到显著改善的原因。     

Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点电迁移过程中界面应力演变的研究

应用X射线衍射技术原位测量分析了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点在电流密度为4×103A/cm2的作用下阴极和阳极界面的应力演变。结果表明:焊点阴极和阳极界面的应力演变非常复杂,大致分为4个阶段。第一个阶段,由于金属热膨胀效应促使焊点界面的压应力开始升高;第二个阶段,应力松弛的影响使得压应力开始降低;第三个阶段,电迁移的作用使得阳极界面压应力增加而阴极界面由压应力向拉应力转变;第四个阶段,阳极处晶须和小丘的形成释放了压应力,阴极处的拉应力继续增加。试样抛光后发现,在焊点阳极界面形成了一层厚度均匀的Cu6Sn5金属间化合物。     

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.     

热-剪切循环条件下Sn3.5Ag0.5Cu/Ni界面化合物生长行为

对热-剪切循环条件下（25—125℃）Sn3．5Ago．5Cu／Ni界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究,并将其与恒温时效条件下界面化合物的生长行为进行了比较。结果表明,再流焊后,在Sn3．5Ag0．5Cu／Ni界面上形成（CuxNi1-x）6Sn5化合物;随着热-剪切循环周数的增加,（CuxNi1-x）6Sn5化合物形态从笋状向平面状生长;热-剪切循环200周后,（NixCu1-x）Sn3码化合物在（CuxNi1-x）6Sn5化合物周围形成并呈片状快速长大。界面近域的钎料内,颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状。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）6Sn5化合物的生长。     

锌对Sn3.5Ag0.5Cu钎料组织性能的影响

运用莱卡显微镜、X射线衍射仪等仪器设备,研究添加元素Zn对Sn3.5Ag0.5Cu钎料组织性能的影响.结果表明:Zn与Ag、Cu形成AgZn和CuZn3化合物,能显著细化Sn3.5Ag0.5Cu钎料组织,降低Sn3.5Ag0.5Cu钎料合金的润湿性,同时可提高Sn3.5Ag0.5Cu钎料合金抗拉强度.     

时效对铜铝钎焊接头界面化合物和性能的影响

采用Zn-22Al钎料对铜铝异种合金进行了火焰钎焊,并用加速老化试验模拟了其服役环境.研究了时效过程中铜铝钎焊接头界面化合物的形貌变化及其对铜铝钎焊接头电阻率和抗剪强度的影响,并对其生长规律进行了初步计算.结果表明,铜侧界面化合物在250℃恒温时效过程中不断变厚,其生长规律呈抛物线状,且其生长系数约为6.1×10-13cm2/s;当界面化合物的厚度为4.2μm和18.1μm时,铜铝接头的电阻分别为120.3μΩ和132.9μΩ,该界面化合物厚度对电阻率的影响系数为0.25;铜铝接头抗剪强度在时效过程中先有3%的上升,随后逐渐降低至接头初始值的85%.     

Sn3.0Ag0.5Cu0.05Cr/Cu焊点界面IMC层热时效形貌及生长行为研究

研究了Sn3.0Ag0.5Cu0.05Cr焊料(SACCr)制成的Cu/Solder/Cu焊点在150℃时效0、168、500及1000 h下界面金属间化合物(IMC)层的形貌及生长行为,并与Sn3.0Ag0.5Cu(SAC)焊料的焊点进行了比较。结果表明,相对于SAC的焊点,SACCr中弥散或固溶分布的微量Cr延缓了焊点界面IMC层的生长。时效时间越长,Cr的阻抑效果越明显。150℃时效1000 h的Cu/SACCr/Cu焊点界面IMC层的平均厚度是Cu/SAC/Cu的45%,仅为5.13μm。     

Creep corrosion cracking of Sn–3.0Ag and Sn–0.5Cu solder alloys in NaCl solution

The surface crack nucleation of Sn–3.0Ag and Sn–0.5Cu solder alloys has been examined by performing sustained tensile-loading tests in 0.9 mass% NaCl solution at room temperature. For Sn–3.0Ag alloy, many cracks nucleate and propagate on the side surface of the specimen, similarly to Sn–3.0Ag–0.5Cu alloy reported previously. For Sn–0.5Cu alloy, such cracks are not observed, and ordinary creep deformation occurs in the solution. The effect of sustained applied stress, i.e., creep, on the dissolution of ions is smaller for Sn–0.5Cu alloy than for Sn–3.0Ag alloy. The present results suggest that there are differences in the susceptibility to cracking under applied stress in a solution, i.e., creep corrosion cracking, among lead-free solder alloys.     

Effect of adding 1 wt% Bi into the Sn–2.8Ag–0.5Cu solder alloy on the intermetallic formations with Cu-substrate during soldering and isothermal aging

Intermetallic compound (IMC) formations of Sn–2.8Ag–0.5Cu solder with additional 1 wt% Bi were studied for Cu-substrate during soldering at 255 °C and isothermal aging at 150 °C. It was found that addition of 1 wt% Bi into the Sn–2.8Ag–0.5Cu solder inhibits the excessive formation of intermetallic compounds during the soldering reaction and thereafter in aging condition. Though the intermetallic compound layer was Cu₆Sn₅, after 14 days of aging a thin Cu₃Sn layer was also observed for both solders. A significant increase of intermetallic layer thickness was observed for both solders where the increasing tendency was lower for Bi-containing solder. After various days of aging, Sn–2.8Ag–0.5Cu–1.0Bi solder gives comparatively planar intermetallic layer at the solder–substrate interface than that of the Sn–2.8Ag–0.5Cu solder. The formation of intermetallic compounds during aging for both solders follows the diffusion control mechanism and the diffusion of Cu is more pronounced for Sn–2.8Ag–0.5Cu solder. Intermetallic growth rate constants for Sn–2.8Ag–0.5Cu and Sn–2.8Ag–0.5Cu–1.0Bi solders were calculated as 2.21 × 10⁻¹⁷ and 1.91 × 10⁻¹⁷ m²/s, respectively, which had significant effect on the growth behavior of intermetallic compounds during aging.     

片式电容Sn96.5/Ag3/Cu0.5焊点热疲劳性能比较

以0805封装片式电容器件焊点为研究对象,建立了多周期温度冲击下Sn96.5/Ag3/Cu0.5的焊点有限元分析模型,开展了多周期温度冲击条件下焊点剪切力测试工作,获得了Sn96.5/Ag3/Cu0.5和Sn63/Pb37两种焊点的周期-剪切力测试数据,并利用非线性最小二乘法得到了1 500个周期内的焊点热疲劳状态拟合曲线.结果表明,在规定试验条件下,在有限的1 500个周期内0805封装电容的Sn96.5/Ag3/Cu0.5焊点的热疲劳劣化速率略慢于Sn63/Pb37焊点.     

快速凝固Sn2.5Ag0.7Cu钎料中金属间化合物的形态及对焊点性能的影响

利用SP009A型半自动非金属系制造器,通过铜制单辊快淬工艺制得快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金薄带,采用JSM-5610LV扫描电镜及能谱仪,研究快速凝固态钎料合金的微观形貌及金属间化合物(IMC)特征;通过钎焊接头组织与剪切断口分析,研究IMC对钎焊接头韧性的影响机制。结果表明:快速凝固态钎料合金焊点界面处形成的排列紧密的小尺寸β-Sn能有效抑制界面处IMCCu6Sn5的长大;在钎焊过程中,钎料中过饱和固溶体析出大量尺寸细小、弥散分布的金属间化合物Cu6Sn5和Ag3Sn,凝固时可作为第二相粒子与初生相混杂在一起,形成细小共晶组织分布于钎缝中,改善了焊点韧性。     

时效对Sn-Cu-Ni-xPr/Cu焊点组织与性能的影响

采用Sn-Cu-Ni-xPr无铅钎料对片式电阻进行钎焊试验,并且利用加速老化试验模拟片式电阻中焊点的服役环境,研究了时效过程中Sn-Cu-Ni-xPr焊点界面化合物层的厚度以及焊点抗剪强度的变化.结果表明,随着时效的进行,片式电阻Sn-Cu-Ni-xPr焊点的厚度不断增加,抗剪强度不断下降.与此同时,添加微量稀土元素Pr可有效提高Sn-Cu-Ni-xPr焊点的力学性能,当Pr元素含量为0.05%时,焊点力学性能优良,且在长时间的时效条件下仍然优于其它焊点.     

稀土镧对Sn3．5Ag0．5Cu钎料组织性能的影响

运用莱卡显微镜、显微硬度计、拉伸试验机等仪器设备,研究添加不同含量稀土元素La对Sn3．5Ag0．5Cu钎料及其与Cu基体焊合后微观组织及性能影响。结果表明：添加不同含量的稀土La均能使Sn3．5Ag0．5Cu钎料及其与Cu基体焊合后组织与性能得到改善,其中以La含量达到0．05％时为最优,显微硬度及剪切强度分别提高14％和10．7％;基于热力学理论计算结果表明稀土元素La具有“亲Sn”倾向,可减小钎料中锡基化合物界面锡的活度,降低IMC的长大驱动力。