無鉛釬料的液態(tài)結(jié)構(gòu)與釬焊界面反應(yīng)及其相關(guān)性研究.pdf

1、目前，關(guān)于無鉛釬料合金的研究在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注，并取得了一定的進展和成果，其中Sn-Cu、Sn-Ag和Sn-Ag-Cu等合金系成為科學(xué)研究和商業(yè)開發(fā)的重點。在無鉛釬料的實際應(yīng)用中，釬焊界面反應(yīng)是影響釬焊質(zhì)量和接頭可靠性的關(guān)鍵問題之一，而在釬焊時，釬料合金必然要經(jīng)歷從固態(tài)到液態(tài)再到固態(tài)的過程，在釬焊反應(yīng)階段釬料合金始終處于液相狀態(tài)，因此，了解和掌握釬料合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)，并探討釬料的液態(tài)結(jié)構(gòu)與釬焊界面反應(yīng)之間的相關(guān)性，將對理解焊點界

2、面金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)的生長機制和控制IMC層的生長速度起到重要的作用。 本文選取Sn-xCu(x=0.7，1.5，2)和Sn-3.5Ag-xCu(x=0，0.7，1.5)兩種釬料合金為研究對象，首先利用高溫液態(tài)X射線衍射儀測量了它們的衍射數(shù)據(jù)，進而計算和分析了它們的液態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在液態(tài)Sn-0.7Cu和Sn-1.5Cu釬料中只測取到短程有序結(jié)構(gòu)，而在260℃和330℃下Sn

3、-2Cu熔體中不僅存在短程有序結(jié)構(gòu)還存在中程有序結(jié)構(gòu)，這種中程有序結(jié)構(gòu)與Cu6Sn5有序團簇相關(guān)。此外，在液態(tài)Sn-3.5Ag釬料中只發(fā)現(xiàn)了短程有序，而Sn-3.5Ag-0.7Cu熔體在260℃和330℃時除存在短程有序外還存在中程有序，此時的中程有序同樣和Cu6Sn5團簇相關(guān)，說明Cu的加入增加了熔體中有序結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量。隨著溫度的升高上述Cu6Sn5相關(guān)團簇遭到破壞，熔體中的中程有序結(jié)構(gòu)消失。由上述結(jié)果可知，在釬焊溫度下，熔融無鉛

4、釬料合金中將可能存在尺寸較大的有序團簇甚至是中程有序結(jié)構(gòu)，而隨著釬料中合金元素含量的變化，有序團簇的尺寸和數(shù)量均會產(chǎn)生變化，這將對釬焊界面反應(yīng)產(chǎn)生影響。 其次，利用高溫粘度儀測量了Sn-xCu和Sn-3.SAg-xCu釬料熔體的粘度。發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，釬料合金的粘度值整體上呈下降的趨勢，但存在明顯的不連續(xù)性，均可分為低溫區(qū)和高溫區(qū)。通過Arrhenius方程計算了各溫區(qū)內(nèi)的粘流活化能ε和流團尺寸vm，結(jié)果表明釬料熔體在低溫區(qū)和

5、高溫區(qū)之間的溫度范圍內(nèi)發(fā)生了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這與高溫X射線衍射的結(jié)果相一致。釬料熔體中vm值的差異必然會引起釬焊界面反應(yīng)速率的不同。同時還利用Sn-xCu的粘度值計算了對應(yīng)溫度下的表面張力，計算結(jié)果與文獻報道的結(jié)果較為接近，此外還通過Sn-xCu與Cu基板之間的潤濕性實驗驗證了計算結(jié)果的正確性，這為獲取無鉛釬料合金表面張力數(shù)據(jù)提供了新的途徑。研究表明無鉛釬料合金的粘度和表面張力均為液態(tài)結(jié)構(gòu)敏感量，其變化與液態(tài)結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)。 隨后

6、，本文研究了Sn-xCu/Cu(Ni)和Sn-3.5Ag-xCu/Cu接頭的釬焊界面反應(yīng)。在釬料合金與Cu基板反應(yīng)時，釬料中Cu含量的增加對界面IMC顆粒的粗化和生長起到加速作用，這與液態(tài)釬料中Cu6Sn5有序團簇的尺寸增加和數(shù)量增大相關(guān)。隨著Cu含量的增加，Sn-xCu/Ni接頭的界面產(chǎn)物由(NixCu1-x)3Sn4相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?CuxNi1-x)6Sn5相，(CuxNi1-x)6Sn5IMC層的生長速率由釬料中Cu6Sn5的體積分