无铅钎料接头界面化合物层生长及元素扩散行为

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1、摘要随着电子产品进一步向微、薄、轻方向发展，电子器件的I／O端口数不断增多，焊点体积不断减小，焊点的可靠性越来越受到人们的关注。焊点的可靠性主要取决于其界面行为。因此钎焊过程和服役过程中界面的反应、扩散以及界面的微观组织对当前无铅钎料可靠性研究具有重大意义。本文采用Sn一3．5A∥Cu，Sn一37Pb／Cu，Sn．9Zn．3Bi／Cu和sn一3．5Ag／Ni／Cu四种钎焊接头研究其在钎焊过程和时效过程中界面化合物层的生长行为及元素扩散行为，研究结果表明：(1)对于Sn-3．5Ag／Cu，Sn一37Pb／Cu钎焊接头，钎焊后的界面化合物呈扇形形貌。在sn一3

2、．5Ag／Cu界面化合物的表面上发现有纳米级的A93Sn颗粒。在钎焊过程中Sn．3．5A∥Cu和Sn一37Pb／Cu界面Cu—Sn化合物层厚度随钎焊时间的增加而增加。实际上，在化合物层的生长过程中同时也伴随着溶解过程，由于其生长速度大于溶解速度，化合物层厚度随钎焊时间的增加而增加。并且发现sn．3．5A∥cu在钎焊过程中所形成的IMC厚度比Sn．37Pb的薄，主要原因是Sn．3．5Ag／Cu界面IMC向液态钎料中的溶解大于Sn．37Pb／Cu的。在时效过程中sn．3．5A∥cu和Sn．37Pb／Cu界面化合物层厚度与时效时间的平方根成正比，可用方程d=d。

3、+4Kt来表示。通过计算，sn．3．5A∥cu界面整个IMC和Cu6Sn5化合物的激活能分别为75．16kJ／mol，58．59kJ／mol：Sn-37Pb／Cu界面整个IMC和CuaSn5化合物的激活能分别为82．19kJ／tool，73，11kJ／tool。(2)对于Sn-3．5Ag／Ni／Cu，钎焊后的界面化合物形貌为层状结构。在界面IMC上同样发现有纳米级A93sn颗粒。钎焊过程中界面化合物层生长符合tⅢ规律。界面IMC在时效过程中的生长动力学符合X=(缸)“2关系。在钎焊及时效过程中界面化合物主要是Ni，Sn4化合物，说明电镀Ni层能很好的抑制S

4、n．3．5Ag／Cu焊点中Cu，Sn相互反应和扩散。通过计算，Sn．3．5Ag／Ni／Cu界面化合物的扩散激活能为132．404KJ／mol，比Cu6Sn5的激活能(58．95KJ／m01)大得多，表明Ni3Sn4的生长速度在低温时效时比cu6sn5的慢，而在高温时效时比Cu6Sn5的快。(3)对于Sn．9Zn一3Bi／Cu，钎焊后的界面化合物形貌为层状结构。钎焊过程中界面化合物层生长符合t“6规律。在钎焊过程中形成的Cu．Zn化合物层在时效过程中不稳定。在170。C下时效至200h后在界面处形成单一连续的Cu5zn8化合物层；而时效至500h和1000h

5、后，界面处形成了三层化合物层(从Cu母材侧起，分别为cu·sn化合物层，Cu-Zn化合物层和Sn-Cu化合物层)，Cu-Zn化合物层在时效过程中的不稳定将会影响接头在服役条件下的可靠性。关键词：无铅钎料；显微结构：界面反应；金属问化合物；钎焊；时效AbstractWiththetrendsofminiaturization，lighterweightintoday’selectronicindustryandtheincreasingneedofalargenumberofI／Ointercormectors，thesizeofsolderjointism

6、oreandmoresmaller．So，moreandmoreconcernsarefocusedonthereliabilityofsolder{ointsrecently．However,thejointsreliabilityisdependentontheinterfacebehaviour．Theresearchonclementinterdiffusion，reactionandmicrostructureattheinterfaceofsolderiointsisvitaltothestudyofleadfleesolderjointsre

7、liability．Inthispaperitisinvestigatedthattheinterfaceintermetalliccompound(IMC)growthbehaviorandelementdiffusionpathoffoursolderjointsduringsolderingandaging．TheyareSn一3．5A∥Cu，Sn-37Pb／Cu，Sn-9Zn-3Bi／CuandSn一3，5Ag／Ni／Curespectively．Theresultsareshownasfollows：(1)TheIMCmorphologyatth

8、einterfaceofSn·3．5A∥Cu，Sn一37Pb／Cu