微型化無鉛焊點界面反應及力學性能研究.pdf

1、微型化趨勢下無鉛焊點尺寸持續(xù)減小至微米尺度（微焊點），無鉛界面反應受到焊點尺寸、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，微焊點的可靠性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。但是，目前經(jīng)典的界面反應“熟化理論”模型無法解釋微型化趨勢下無鉛界面反應面臨的新問題。本論文研究了尺寸效應、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無鉛焊點與Cu、Ni基體界面反應的影響，基于原子擴散通量控制的動力學理論及團簇形核理論，分別闡明了

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

3、小改變了釬焊界面反應中焊點界面處的溶質原子(Cu)通量，從而導致了界面反應尺寸效應的產(chǎn)生。具體表現(xiàn)為隨著焊點尺寸減小，Sn-xAg-yCu/Cu焊點內平均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焊點內平均Cu濃度下降速率增加，進而加速了界面IMC由針狀和短棒狀(Cu，Ni)6Sn5轉變?yōu)槎嗝骟w狀(Cu,Ni)6Sn5，再轉變?yōu)獒槧詈蛪K狀(Ni，Cu)3Sn4

4、的進程;Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni-P焊點Cu側(Cu，Ni)6Sn5晶粒直徑增加，Cu基體消耗減少，Ni側界面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/固界面反應理論模型，其計算結果與實驗結果符合良好，揭示了界面溶質原子(Cu)濃度梯度是產(chǎn)生尺寸效應的根本原因;濃度梯度控制(CGC)的界面反應理論模型同樣適用于Ni基體上的界面反應。
　　2.釬焊工藝過程對焊點界

5、面反應影響的研究表明: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生長使得高寬比增加，生長速率達到0.04μm/s;界面片狀Ag3Sn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析出;在溫度梯度作用下片狀Ag3Sn相傾向于在冷端析出，熱端析出的片狀Ag3Sn相傾向于

6、再溶解進入釬料。闡明了液態(tài)團簇形核對片狀Ag2Sn相隨機析出以及在溫度梯度下傾向于在冷端析出的作用機理，揭示了Ag原子熱遷移通量與化學勢通量相互作用導致Ag3Sn相熱端溶解與冷端生長的機制。
　　3.基體晶體取向與交互作用對焊點界面反應影響的研究表明:對于多晶基體微焊點，Cu/Sn/Cu微焊點界面形成扇貝狀Cu6Sn5晶粒，并隨反應時間熟化與合并長大，最終形成全IMC焊點;Cu/Sn/Ni微焊點中，交互作用促進了Ni原子參與Cu側

7、界面反應生成細小的(Cu，Ni)6Sn5晶粒，而Cu原子擴散至Ni側界面加速了針狀的(Cu,Ni)6Sn5晶粒的生長，最終形成的全IMC焊點內有孔洞殘留。對于單晶基體微焊點，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，但隨反應時間的延長逐漸轉變?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Cu6Sn5晶粒生長接近后加速生長的驅動

8、力是界面兩側Cu原子熟化通量的交互作用，揭示了晶界遷移是兩側相對晶粒合并形成單一晶粒的機制;基于Cu原子通量控制的動力學與團簇理論，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）的機理。
　　4.微焊點拉伸性能的研究表明:隨界面IMC厚度增加，微焊點拉伸強度增加、脆性增大，斷裂位置由釬料內部向IMC界面轉變;與釬料焊點相比，全IMC焊點具有更高的拉伸強度(Cu/IMC/Cu焊點達到93 MPa，