Sn-Ag系無鉛焊料中金屬間化合物的形成與控制.pdf

1、微電子封裝工藝中,起到熱、電和機械連接作用的無鉛焊料合金組織中金屬間化合物的形態(tài)和分布直接影響著該合金的連接性能.本文以共晶配比附近的Sn-Ag合金為研究對象,通過改變成分配比和凝固速率系統研究了其凝固過程中金屬間化合物相(Ag<,3>Sn)的析出規(guī)律.結合顯微組織觀察、熱分析和熱力學計算,從凝固過程兩相競爭生長的角度揭示了塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的形成機理.采用高溫時效模擬焊點的高溫服役過程,闡明了在持續(xù)高溫環(huán)境下合金組織中金

2、屬間化合物相的演化規(guī)律.最后探討了第三組元及異相納米ZrO<,2>微粒的摻入對合金組織中金屬間化合物的析出控制及強化機理.上述研究包括的主要內容和獲得的結論是:通過改變冷卻介質,系統研究了亞共晶、共晶和過共晶Sn-Ag合金在不同凝固速率下其組織中金屬間化合物的形成規(guī)律.結果表明:只在緩冷過共晶合金凝固組織中有塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的析出.在較快凝固速率下,三種合金組織均呈現亞共晶組織特征,即由初生β-Sn枝晶和由Ag<,3>S

3、n相與β-Sn相共晶體所構成.這歸因于非平衡條件下的動力學過冷使合金凝固過程按亞穩(wěn)偽共晶反應進行.提高凝固速率對合金組織的影響為:一方面,符合經典共晶合金枝晶生長規(guī)律,其β-Sn枝晶得到細化,即:d=3.7t<'0.43><,f>(其中d為β-Sn枝晶二次枝晶間距,凝固速率在0.08～10<'4>Ks<'-1>的范圍內).另一方面,符合彌散強化原理,在共晶體區(qū)域中析出納米Ag<,3>Sn相提高了其顯微硬度.在低速凝固速率下,發(fā)展了一種通

4、過合金凝固時的名義熱容曲線來確定固相體積轉變過程,進而確定組織中塊狀金屬間化合物體積分數的有效方法,結合定量金相分析和熱力學計算,揭示了過共晶合金組織中塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的形成機理,即:凝固時,合金熔體中的共晶Ag<,3>Sn相因與初生Ag<,3>Sn相有共同的晶體結構,會在小過冷度下依附于后者生長并成為塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn,并且該塊狀相的體積分數值隨著合金凝固速率的提高而增大. 采用高溫時效處理模擬焊

5、點高溫服役過程研究了Sn-3.5Ag合金在持續(xù)高溫環(huán)境下的組織穩(wěn)定性.結果表明:合金組織中金屬間化合物Ag<,3>Sn相的演化符合系統自由能最小原理.平衡凝固合金組織中Ag<,3>Sn相趨于破裂和表面球化；而非平衡凝固合金組織中Ag<,3>Sn相在初生β-Sn枝晶晶界的擴散推移作用下合并成為塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn.通過精確的熱焓計算和精細的組織分析,揭示了非平衡凝固合金組織中納米Ag<,3>Sn相的生長驅動力源于其較高的表面能

6、,使其處于熱力學亞穩(wěn)狀態(tài).但由于該納米Ag<,3>Sn相僅局部分布于共晶組織中,因此該合金在室溫下仍然結構穩(wěn)定.針對緩冷凝固Sn-Ag合金組織中塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn對焊接性能的不利影響,探討了在該合金中加入少量第三組元Cu、In和Zn以及異相納米ZrO<,2>微粒來控制其形成的可行性.結果表明:在上述組元中只有Zn能影響合金凝固后組織中塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的形成,這歸因于Zn與Ag在低過冷度下形成的高溫β-AgZ

7、n相改變了焊料中的相析出次序,從而有效降低了其熔體過冷度.因此,在選擇能控制Sn-Ag合金組織中塊狀Ag<,3>Sn相形成的第三組元時,應考慮在凝固時能與Ag結合形成金屬間化合物并在Ag<,3>Sn相之前析出的組元.而異相納米ZrO<,2>微粒,因其具有較高的表面活性,可通過表面吸附效應來降低合金組織中金屬間化合物Ag<,3>Sn的表面能,并抑制其進一步生長,從而可有效避免塊狀金屬間化合物Ag<,3>Sn的形成,并使合金組織細化、力學性