微型化無鉛焊點(diǎn)界面反應(yīng)及力學(xué)性能研究.pdf

1、微型化趨勢下無鉛焊點(diǎn)尺寸持續(xù)減小至微米尺度（微焊點(diǎn)），無鉛界面反應(yīng)受到焊點(diǎn)尺寸、釬焊工藝過程、基體晶體取向與交互作用等因素的影響更加顯著，微焊點(diǎn)的可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。但是，目前經(jīng)典的界面反應(yīng)“熟化理論”模型無法解釋微型化趨勢下無鉛界面反應(yīng)面臨的新問題。本論文研究了尺寸效應(yīng)、釬焊工藝過程、基體晶體取向與交互作用等因素對純Sn及Sn-Ag-Cu無鉛焊點(diǎn)與Cu、Ni基體界面反應(yīng)的影響，基于原子擴(kuò)散通量控制的動(dòng)力學(xué)理論及團(tuán)簇形核理論，分別闡明了

2、不同因素對界面微觀組織的影響機(jī)制，建立了濃度梯度控制(CGC)的液/固界面反應(yīng)理論模型，從理論和實(shí)驗(yàn)上詮釋了無鉛焊點(diǎn)界面反應(yīng)尺寸效應(yīng)的規(guī)律性;利用同步輻射實(shí)時(shí)成像技術(shù)原位表征了無鉛釬焊工藝過程對微焊點(diǎn)界面反應(yīng)的影響規(guī)律;揭示了微焊點(diǎn)中基體晶體取向與交互作用對界面金屬間化合物(IMC)演變的影響機(jī)制;初步評價(jià)了微焊點(diǎn)界面組織對其拉伸性能的影響規(guī)律。論文主要研究結(jié)果總結(jié)如下:
　　1.尺寸效應(yīng)對焊點(diǎn)界面反應(yīng)影響的研究表明:焊點(diǎn)尺寸的減

3、小改變了釬焊界面反應(yīng)中焊點(diǎn)界面處的溶質(zhì)原子(Cu)通量，從而導(dǎo)致了界面反應(yīng)尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生。具體表現(xiàn)為隨著焊點(diǎn)尺寸減小，Sn-xAg-yCu/Cu焊點(diǎn)內(nèi)平均Cu濃度增加，界面Cu6Sn5晶粒直徑增加，界面IMC厚度增加，Cu基體消耗減少;Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni-P焊點(diǎn)內(nèi)平均Cu濃度下降速率增加，進(jìn)而加速了界面IMC由針狀和短棒狀(Cu，Ni)6Sn5轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝骟w狀(Cu,Ni)6Sn5，再轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧詈蛪K狀(Ni，Cu)3Sn4

4、的進(jìn)程;Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni-P焊點(diǎn)Cu側(cè)(Cu，Ni)6Sn5晶粒直徑增加，Cu基體消耗減少，Ni側(cè)界面IMC保持針狀的(Cu，Ni)6Sn5且厚度增加。基于原子通量建立了濃度梯度控制(CGC)的液/固界面反應(yīng)理論模型，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，揭示了界面溶質(zhì)原子(Cu)濃度梯度是產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的根本原因;濃度梯度控制(CGC)的界面反應(yīng)理論模型同樣適用于Ni基體上的界面反應(yīng)。
　　2.釬焊工藝過程對焊點(diǎn)界

5、面反應(yīng)影響的研究表明:界面Cu6Sn5晶粒在升溫階段以0.11μm/s的速率向釬料內(nèi)溶解，在保溫階段以扇貝狀晶粒形貌緩慢生長，而在降溫階段快速向釬料內(nèi)生長使得高寬比增加，生長速率達(dá)到0.04μm/s;界面片狀A(yù)g3Sn相在升溫階段以0.1-0.2μm/s的速率完全溶入釬料，在降溫階段過冷（過冷度為31-55℃）條件下以超過5μm/s的速率在界面處隨機(jī)析出;在溫度梯度作用下片狀A(yù)g3Sn相傾向于在冷端析出，熱端析出的片狀A(yù)g3Sn相傾向于

6、再溶解進(jìn)入釬料。闡明了液態(tài)團(tuán)簇形核對片狀A(yù)g2Sn相隨機(jī)析出以及在溫度梯度下傾向于在冷端析出的作用機(jī)理，揭示了Ag原子熱遷移通量與化學(xué)勢通量相互作用導(dǎo)致Ag3Sn相熱端溶解與冷端生長的機(jī)制。
　　3.基體晶體取向與交互作用對焊點(diǎn)界面反應(yīng)影響的研究表明:對于多晶基體微焊點(diǎn)，Cu/Sn/Cu微焊點(diǎn)界面形成扇貝狀Cu6Sn5晶粒，并隨反應(yīng)時(shí)間熟化與合并長大，最終形成全I(xiàn)MC焊點(diǎn);Cu/Sn/Ni微焊點(diǎn)中，交互作用促進(jìn)了Ni原子參與Cu側(cè)

7、界面反應(yīng)生成細(xì)小的(Cu，Ni)6Sn5晶粒，而Cu原子擴(kuò)散至Ni側(cè)界面加速了針狀的(Cu,Ni)6Sn5晶粒的生長，最終形成的全I(xiàn)MC焊點(diǎn)內(nèi)有孔洞殘留。對于單晶基體微焊點(diǎn)，300℃下(001)Cu基體界面生成相互垂直規(guī)則排列的棱晶狀Cu6Sn5晶粒，但隨反應(yīng)時(shí)間的延長逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o擇優(yōu)取向的扇貝狀形貌;250℃下(001)Ni基體界面能夠形成平行排列的針狀(Cu，Ni)6Sn5晶粒。闡明了界面兩側(cè)Cu6Sn5晶粒生長接近后加速生長的驅(qū)動(dòng)

8、力是界面兩側(cè)Cu原子熟化通量的交互作用，揭示了晶界遷移是兩側(cè)相對晶粒合并形成單一晶粒的機(jī)制;基于Cu原子通量控制的動(dòng)力學(xué)與團(tuán)簇理論，闡明了Cu-Ni交互作用與基體晶體取向影響下界面IMC形核生長與演變（形貌、取向）的機(jī)理。
　　4.微焊點(diǎn)拉伸性能的研究表明:隨界面IMC厚度增加，微焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度增加、脆性增大，斷裂位置由釬料內(nèi)部向IMC界面轉(zhuǎn)變;與釬料焊點(diǎn)相比，全I(xiàn)MC焊點(diǎn)具有更高的拉伸強(qiáng)度(Cu/IMC/Cu焊點(diǎn)達(dá)到93 MPa，