Al、In对Sn-Ag-Zn焊料组织形成的影响及连接界面的研究

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可靠性是现代电子封装技术面临的最大难题,发展满足实际使用要求的自适应无铅焊料已成为当务之急。通过进一步添加其他组元、控制连接界面上金属间化合物的形貌及类型,已成为高性能无铅焊料开发和提高焊点可靠性的重要途径。这里选择可能析出具有形状记忆性能的AgZn相的Sn-3.7%Ag-0.9%Zn焊料合金为基本体系,通过添加第四组元,期望进一步促进AgZn相的析出,改善焊料性能,并对Sn-Ag-Zn/Cu的连接界面进行了初步研究。首先系统研究了Al和In的加入对平衡与水冷Sn-Ag-Zn焊料组织形成过程的影响。研究结果表明:Al和In的加入显著影响焊料组织形貌,其中Al的加入促进金属间化合物Ag2Al的形成,抑制AgZn相的析出;In的加入对焊料组织的影响与冷却速度有关,较低冷速下不会改变焊料的相组成,只改变焊料组织形貌,且条状混合组织(由Ag3Sn和AgZn构成)的生成归因于Ag3Sn和AgZn相对In原子的吸附作用,较高冷速下组织中只有Ag3Sn金属间化合物,抑制了AgZn相的析出。其次,通过高温时效来模拟上述焊料在服役过程中的组织演化。对于平衡焊料,高温时效不会改变它们的相组成,但可以促进组织中未充分长大的金属间化合物继续长大,并最终使组织细化;对于水冷焊料,高温时效对含Al焊料的影响同平衡焊料一样,也是促进金属间化合物长大及细化组织,而在含In焊料中,高温时效消除了In对AgZn相的抑制作用,AgZn相在时效过程中再次析出,同时Ag3Sn相继续长大,其对含In焊料组织的细化作用主要体现在粗大β-Sn相枝晶的变小,甚至消失。最后,对不同保温时间Sn-3.7%Ag-0.9%Zn/Cu的连接界面作了初步的研究。连接界面的形成分为三个阶段:反应初期生成的是Cu5Zn8层;随着保温时间的延长进入反应中期,不稳定的Cu5Zn8层从底部开始分解形成Cu6Sn5层,这一阶段受Sn在Cu5Zn8层中的扩散控制;反应末期Cu6Sn5层已完全取代Cu5Zn8层,并继续长大,这一过程受Sn原子在Cu6Sn5层中的扩散控制的(连接界面的分步形成导致实验确定的扩散系数略大于文献值)。
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