论文部分内容阅读
随着电子封装技术的发展,不仅微小尺寸焊点承受的应力和电流相应增加,可靠性要求更加苛刻,而且全球范围内无铅化的强制要求使钎焊技术面临更大的挑战。由于无铅钎料的熔点较高,与传统的Sn-37Pb钎料相比,钎焊温度提高30～40℃,无铅化钎焊中高的钎焊温度会使固／液界面反应加剧,另一方面由于无铅钎料中Sn含量明显高于Sn-37Pb钎料,而高Sn含量的无铅钎料同样会使固／液界面反应加速。因此世界范围内已经对无铅化电子封装钎焊技术中的主要科学问题——伴随着界面金属间化合物生长和基体溶解的固／液界面反应进行深入研究。由于单晶没有晶界,原子沿一个方向生长,因此选用单晶铜为基体研究基体的原子排列及基体的溶解对Cu6Sn5的形核、生长和晶粒粗化长大机制的影响,进一步完善多晶铜上形成的Cu6Sn5形核生长机制的理论,这将对理解界面金属间化合物(IMC)的生长机制和控制IMC层的生长速度起到重要的作用。本文选用(001)单晶铜为基体,纯Sn、Sn-xCu(x=0.7,1.5,3)和Sn-Zn为钎料,研究250℃和300℃下单晶铜在不同钎料浴中的界面反应行为。研究表明：300℃下单晶铜在纯Sn,Sn-0.7Cu和Sn-1.5Cu短时间反应会在界面处生成的棱晶状的Cu6Sn5晶粒,并且棱晶状的Cu6Sn5晶粒沿着相互垂直的两个方向生长。但随着反应时间的延长,Sn-0.7Cu(大于10min)和Sn-1.5Cu(大于90s)上形成的棱晶状的Cu6Sn5会逐渐转变成扇贝状的Cu6Sn5晶粒。此外,我们发现250℃下单晶铜在纯Sn,Sn-0.7Cu和Sn-1.5Cu反应不同时间生成的Cu6Sn5晶粒都是扇贝状。对于单晶铜在Sn-3Cu中浸焊不论是250℃还是300℃下反应生成的都是扇贝状的Cu6Sn5晶粒。由上述结果可知,随着温度的升高,铜浓度的降低,更容易形成棱晶状的Cu6Sn5晶粒：随着温度的降低,铜浓度的升高,更容易形成扇贝状的Cu6Sn5晶粒。而300℃下单晶铜在Sn-9Zn中反应生成层状的Cu5Zn8,形貌和晶体取向与多晶铜上生成的Cu5Zn8相比并没有发生很大的改变。随后,本文研究了棱晶状Cu6Sn5晶粒和扇贝状Cu6Sn5晶粒之间的相互转变,研究发现棱晶状Cu6Sn5晶粒和扇贝状Cu6Sn5晶粒之间可以相互转变,说明棱晶状Cu6Sn5晶粒和扇贝状Cu6Sn5晶粒形核长大的本质是相同的,两种形貌的Cu6Sn5晶粒都能用六棱柱的模型来进行解释。最后,本文研究了(001)和(111)单晶铜在纯Sn和Sn-0.7Cu中的溶解速率,并与多晶铜在这两种焊料中的溶解速率作比较。研究结果表明：单晶铜在纯Sn和Sn-0.7Cu中的溶解速率要比多晶铜要快,这与单晶铜表面台阶状的溶解形态有关。同时发现(001)和(111)单晶铜中的溶解速率差不多,但(111)单晶铜比(001)单晶铜的溶解速率略低,这与不同取向单晶铜的表面能相关。通过研究纯Sn和Sn-0.7Cu中生成的棱晶状的Cu6Sn5晶粒的生长动力学,发现棱晶状Cu6Sn5晶粒分别符合t0.088和t0.089。与多晶相比,同样发现棱晶状Cu6Sn5晶粒的生长速率要比扇贝状Cu6Sn5晶粒要慢。