典型纖焊體系潤濕鋪展動(dòng)力學(xué)及微互連焊點(diǎn)界面微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、高溫硬釬焊和低溫軟釬焊作為先進(jìn)的材料加工技術(shù)手段之一，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展具有重要意義。無論是高溫硬釬焊還是低溫軟釬焊，釬料在被焊金屬表面的潤濕鋪展動(dòng)力學(xué)過程對(duì)連接質(zhì)量具有決定性意義。釬焊過程需要釬料在預(yù)定釬焊時(shí)間內(nèi)對(duì)被連接的異種母材都充分潤濕，并保證連接過程。因此，需要對(duì)釬焊過程進(jìn)行高質(zhì)量控制、提高接頭質(zhì)量，就要求對(duì)液態(tài)釬料潤濕鋪展進(jìn)行定量的建模和預(yù)測(cè)。另一方面，隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，全球要求電子系統(tǒng)封裝無鉛化進(jìn)程進(jìn)一步推進(jìn)。無鉛釬料工藝

2、性能較差以及焊后可靠性不穩(wěn)定是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)時(shí)所需要克服的關(guān)鍵問題。本課題針對(duì)典型釬焊體系（面向高溫釬焊的AgCu/TC4；面向低溫釬焊和電子封裝的SnAgZn/Cu）的潤濕機(jī)制和 Cu基板合金化后的界面IMCs生長行為、粗化行為進(jìn)行了探究。
　　本文首先設(shè)計(jì)了高純氬氣保護(hù)氣氛下的AgCu釬料在TC4基板上座滴原位潤濕鋪展試驗(yàn)，對(duì)熔融金屬的潤濕鋪展過程，以及三相線運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)數(shù)字化記錄。研究結(jié)果表明，基板表面粗糙度對(duì)釬焊體系

3、的潤濕鋪展過程只有輕微地促進(jìn)作用，而溫度能夠改變潤濕鋪展過程和潤濕機(jī)制。在溫度為860℃時(shí)，整個(gè)潤濕鋪展過程可以分為四個(gè)階段。然而，在溫度為940℃時(shí)，由于更為強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，整個(gè)潤濕鋪展過程縮短為三個(gè)階段。在860℃下，快速鋪展階段的潤濕動(dòng)力學(xué)由化學(xué)反應(yīng)速度控制，緩慢鋪展階段由 Ti和 Cu相互擴(kuò)散速度控制。然而，在940℃下，其潤濕動(dòng)力學(xué)由化學(xué)反應(yīng)，溶解和擴(kuò)散至固體（diffusion into the solid）三者共同作用控制

4、。
　　進(jìn)一步，系統(tǒng)地研究了Sn-3Ag-xZn無鉛釬料(x=0.4,0.6,0.8,1,2和4 wt.％)的微觀組織，熱性能和潤濕鋪展動(dòng)力學(xué)。研究結(jié)果表明，少量的Zn含量（Zn wt.%≤1 wt.%）對(duì)釬料的微觀組織形貌幾乎沒什么影響，其微觀組織由β-Sn相和Ag3Sn，δ-AgZn顆粒組成。然而，隨著Zn含量的增加，β-Sn相的體積分?jǐn)?shù)減小，金屬間化合物的數(shù)量增加。隨著Zn含量的進(jìn)一步增加，微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯地改變，在Sn

5、-3Ag-2Zn釬料中形成了γ-AgZn相，在Sn-3Ag-4Zn釬料中形成了ε-AgZn相。隨著Zn含量的增加，Sn-3Ag-xZn釬料的熔點(diǎn)和過冷度都先降低后升高。Sn-3Ag-1Zn釬料表征出最小的熔點(diǎn)（228.13℃）和過冷度（13.87℃）。主潤濕階段的潤濕動(dòng)力學(xué)遵循冪率函數(shù)Rn～t(n=1)，表明其潤濕機(jī)制由三相線處的化學(xué)反應(yīng)控制。
　　最后，制備了四種潤濕反應(yīng)層（Cu, Cu-8Zn, Cu-15Zn和Cu-30Zn

6、）與SAC305釬料回流后的釬焊接頭，討論了Cu基板合金化對(duì)釬焊接頭界面IMCs的生長行為和Cu6Sn5晶粒的粗化行為的影響。研究結(jié)果表明，回流之后，扇貝狀的Cu6Sn5形成于SAC305/Cu界面。隨著時(shí)效時(shí)間的增加，在SAC305/Cu界面觀察到Cu6Sn5和Cu3Sn的雙層結(jié)構(gòu)，Ag3Sn顆粒嵌入在Cu6Sn5上，并在Cu3Sn層檢測(cè)到了柯肯達(dá)爾空洞的存在。然而，在SAC305/Cu-Zn界面，Cu6Sn5為主要的反應(yīng)產(chǎn)物，且沒有

7、觀察到Cu3Sn和柯肯達(dá)爾空洞的存在。IMCs層的厚度隨著時(shí)效時(shí)間的增加而增加。相比于SAC305/Cu，Zn元素的添加能夠有效地抑制IMCs層生長。在時(shí)效過程中， SAC305/Cu， SAC305/Cu-8Zn， SAC305/Cu-15Zn和SAC305/Cu-30Zn的IMCs層的生長速率常數(shù)分別為7.78×10-17，5.42×10-17，2.51×10-17，和1.46×10-17 m2s-1。Cu6Sn5晶粒的平均直徑隨著