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为进一步提高对In-Sn共晶无铅焊料的认识,通过选用Cu、Ni、NiP,以及不同Fe含量的NiFe作为In-Sn共晶焊料的回流基体,研究了In-Sn共晶焊料与不同基体金属之间的界面反应,以及电流应力对In-Sn焊料/Cu互联和In-Sn焊料/Ni互联的影响。
研究了高密度电流所引起的In-Sn/Cu互联微观结构改变。加载电流后,Sn和In分别往相反的方向迁移,而在阳极和阴极之间形成富Sn和富In的相分离区。在阳极,Sn原子的富集在表面促进了大量柱状凸起析出,而In原子的流失则造成了富In的金属间化合物层的溶解和消失。在阴极,Sn的流失使得表面靠近富In区的地方产生凹陷,而阳极处因富In的金属间化合物层的消失所产生的净In流,促进了阴极处富In相的生长。
In-Sn/Ni互联体系中存在相似的电迁移作用。由于电迁移作用的存在,电流也导致了类似的相分离,但IMC的厚度却并未因电流的相分离作用而改变或增加。说明In-Sn/Cu互联中的相变化严格地受电迁移而非热迁移的控制。开展了In-Sn/Ni互连的时效和动力学实验,揭示了温度对IMC系统的影响。利用SEM和EDS分析获得了IMC的成份和微观结构特点。回流处理后,有(Ni,In)Sn2这一新的金属间化合物相产生,其生长速率与温度和时间呈抛物线规律。利用实验数据计算出n值,并根据该值讨论了反应激活能和反应速率控制机制。
In-Sn/Cu和In-Sn/NiP体系的生长动力学和介面研究结果与基体为电镀Ni的结果不同。比较而言,与In-Sn共晶焊料回流时,Cu作基体时的反应速度非常快,而NiP基体的反应速度和生长速度却很慢。有两种机制在固态条件下促进IMC的生长,具体是哪种机制取决于所选用的时效温度。Cu和NiP作基体时的激活能分别是44 kJ/mol和86kJ/mol。
通过对横截面微观结构的观察,研究了In-Sn焊料与Ni-10%Fe之间的介面反应。研究发现在电镀Ni基体中加入Fe后,会极大地改变焊料回流的介面反应和金属间化合物成分。经过回流处理后,可以在IMC中检测到两种相,即Ni3Sn4相和FeSn2相。时效条件下,IMC生长速度很快,形成两个连续的层。靠近基体部分的成分是Fe15Ni23In17Sn44,而靠近焊料部分的成分是Ni30In19Sn50。计算得出Ni/SnIn IMC和Ni10%Fe/SnIn IMC的固态激活能分别是114.74 KJ/mol and43.97kJ/mol。
研究了Ni(x)Fe-SnIn(x=30,55 at%)体系的界面反应。利用TEM和SEM观察了中间组成物的微观结构并确定了其化学成分。回流处理后,界面处有Ni3Sn4和FeSn2相生成,焊料中有Cu6Sn5相生成。退火处理后生成的IMC层具有双层结构,贴近NiFe金属的一层富Fe,而焊料处的一层则富Ni。动力学研究表明含Fe量为30%的体系,其表观激活能为51.8 kJ/mol,而含Fe量为55%的体系,其表观激活能为85.1 kJ/mol。在富Fe的体系当中,回流后会有球状的Ni3Sn4晶体生成,并且在退火后转变为多面方形结构。