快速凝固及微合金化Sn-Zn系釬料改性研究.pdf

1、Pb及其化合物由于對人類健康和環(huán)境具有毒害作用而被禁用。隨著無鉛化進程的日益深入，無鉛釬料的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)成為電子封裝工業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)。Sn-Zn系合金熔點與材料成本低且具有優(yōu)良的力學(xué)性能，被認(rèn)為是能夠替代傳統(tǒng)Sn-Pb合金用于電子封裝與互聯(lián)的無鉛釬料合金系之一。但是，由于Zn非常活潑，Sn-Zn系合金的潤濕性、耐蝕與抗高溫氧化性能較差且焊點具有脆化傾向。
　　 針對Sn-Zn系釬料合金所存在的問題，本文以共晶Sn-Zn無鉛釬料

2、作為參照物，研究了快速凝固及微合金化對Sn-Zn系釬料顯微結(jié)構(gòu)、合金特性、釬料/Cu界面行為及焊點力學(xué)性能的影響。
　　 研究表明，Sn-Zn釬料/Cu焊點界面緊靠Cu基板側(cè)形成CuZn金屬間化合物(IMC)層，CuZn IMC有與釬料中的Zn原子繼續(xù)反應(yīng)生成CusZn8的趨勢；Cu原子越過Sn-Zn釬料/Cu基板界面IMC層向釬料中的擴散與聚集呈現(xiàn)“脈動”形式，并在鄰近結(jié)合面的釬料中形成粒狀Cu5Zn8 IMC；Sn-Zn釬料

3、與Cu基板界面IMC主要表現(xiàn)為3種形貌：粗糙的界面Cu5Zn8 IMC層、致密的Cu5Zn8胞狀晶層、板狀CuZn IMC層。
　　 合金微觀分析表明，Sn-Zn釬料在本試驗快速凝固條件下，初生β-Sn相快速生長與分枝形成網(wǎng)絡(luò)狀枝晶，Zn相的長大被抑制，呈尺寸為0.5～2μm的細(xì)小顆粒狀被包覆于β-Sn枝晶中；與Sn-9Zn合金相比，0.1 wt.％Cr的添加對基體組織的細(xì)化作用促進了快速凝固過程中Zn在Sn中的固溶，組織中β-

4、Sn相枝晶更為均勻，顆粒狀Zn相更為細(xì)小(尺寸基本上不大于1μm)且分布更為彌散；快速凝固態(tài)Sn-8Zn-3Bi合金中，Zn相以不規(guī)則的尺寸大致為2-4μm的細(xì)小條塊狀或顆粒狀分布于Sn枝晶中，Bi均以過飽和固溶體形式存在于Sn相中。
　　 釬料熔化特性分析結(jié)果表明，經(jīng)本文工藝條件下快速凝固制備后，Sn-Zn合金的熔點幾乎無變化，Sn-9Zn-0.1Cr合金的熔點降低約9℃，而Sn-8Zn-3Bi合金由于Bi完全固溶在Sn中導(dǎo)致

5、熔點反而升高了約7℃；與常態(tài)合金相比，處于熱力學(xué)亞穩(wěn)定狀態(tài)的快速凝固態(tài)Sn-Zn系合金熔化區(qū)間均顯著減小，在釬焊加熱過程中結(jié)晶潛熱的釋放促進了釬料對基板的潤濕與鋪展。
　　 Sn-Zn/Cu界面IMC分析表明，快速凝固態(tài)釬料中細(xì)小的Zn相與析出相在釬焊過程中與基板元素間的反應(yīng)均勻，避免了界面處粗大塊狀Cu5Zn8 IMC的形成，能夠促進釬焊時均勻界面反應(yīng)層的形成，顯著提高了焊點結(jié)合強度。
　　 150℃長時間時效會導(dǎo)致S

6、n-Zn/Cu焊點界面Cu-Zn化合物的分解，IMC層厚度表現(xiàn)為隨時間的延長先增大而后減小的趨勢，局部被破壞的界面區(qū)Cu基體處形成Cu6Sn5化合物；與常態(tài)釬料相比，使用快速凝固態(tài)Sn-Zn釬料所形成的較為均勻致密的界面IMC層在高溫時效過程中較穩(wěn)定。
　　 界面IMC生長動力學(xué)分析結(jié)果表明：適量合金元素Cr、Bi在Sn-9Zn合金中的添加能夠抑制釬焊過程中界面Cu-Zn IMC的生長；本文試驗條件下，釬焊溫度為240℃時釬料/

7、Cu基板釬焊過程中IMC生長速率常數(shù)k分別為：使用Sn-9Zn釬料時約為3.5，使用Sn-9Zn-0.1Cr或Sn-8Zn-3Bi釬料時均大致為2.8～3.1；不同初始工藝條件對兩種狀態(tài)釬料/Cu焊點界面IMC生長速率的影響無明顯差異；不同狀態(tài)釬料對焊點固態(tài)時效過程中界面IMC生長動力學(xué)的影響不明顯。
　　 Sn-9Zn中添加0.1 wt.％Cr后，釬料的鋪展性能及釬料/Cu焊點結(jié)合強度明顯改善，快速凝固態(tài)Sn-9Zn-0.1C

8、r釬料/Cu焊點界面IMC相對更為均勻，力學(xué)性能的提高更為顯著；0.1 wt.％Cr在Sn-9Zn中的添加能夠減小釬料/Cu焊點固態(tài)時效過程中界面IMC的生長速率，對界面IMC在服役過程中的過度生長抑制作用明顯。
　　 微量稀土(RE)元素在Sn-9Zn合金中的添加具有明顯變質(zhì)作用，添加量較多時合金中所形成的RE化合物在局部的聚集會導(dǎo)致性能下降；Sn-9Zn合金中添加0.1 wt.％RE元素Nd時，界面組織的均勻細(xì)化有利于改善焊