Cu基板中添加Zn元素对钎焊界面反应的影响

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在电子封装钎焊过程中,熔融的Sn基钎料和Cu基板界面上会产生金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)层,以实现电子设备中的互连。然而,高温钎焊回流及后期长时间服役时效使得焊点界面处往往会形成较厚的IMC层。这些IMC通常表现出脆性,因此在焊点界面处形成较厚的IMC层则意味着焊点力学性能的劣化。添加少量合金元素是改善焊点界面结构和力学性能的解决方案之一,其中Zn是常用的添加元素。近年来,国内外对含Zn钎料与Cu、Ni基板界面反应进行了大量研究,但针对Cu-Zn基板与Sn基钎料之间的钎焊界面反应研究相对较少。共晶Sn-0.7Cu钎料主要被应用于板级封装技术中,以Sn/Cu-xZn和Sn-0.7Cu/Cu-xZn焊点为对象,进行对比研究,关注钎焊过程中的润湿行为以及焊点界面IMC类型、厚度、形貌的演变规律,对评价Cu-Zn基板的应用前景具有一定现实意义。为此,本文研究了Sn/Cu-xZn与Sn-0.7Cu/Cu-xZn(x=0,5,10,20,30 wt.%)焊点在260°C下等温回流后的润湿铺展行为、钎焊界面IMC生长行为与晶粒形貌演变。主要结论如下:(1)向Cu-xZn基板中添加Zn元素对基板的润湿铺展性能有一定的不利影响。在相同成分Cu-Zn基板上,Sn-0.7Cu钎料比纯Sn钎料表现出更好的润湿铺展性能。仅从润湿性能角度上看,Cu基板中Zn的添加量不宜超过5 wt.%。(2)Sn/Cu焊点在260°C下等温回流后,界面处产生扇贝状的Cu6Sn5和层状的Cu3Sn。Cu-Zn基板中的Zn元素有效地抑制了Cu3Sn相的形成和Cu6Sn5型IMC的生长。当Cu-Zn基板中的Zn含量达到30%时,Cu6Sn5型IMC与Cu-30Zn基板的界面处将生成层状的Cu(Zn,Sn)相。长时间等温回流后,Cu(Zn,Sn)相将过度生长。(3)Sn-0.7Cu/Cu焊点在260°C下等温回流后,界面处产生扇贝状的Cu6Sn5和层状的Cu3Sn。随着回流时间的增加,扇贝状的Cu6Sn5逐渐向长六棱柱状生长。Cu-Zn基板中的Zn元素可以抑制Cu3Sn和长六棱柱状Cu6Sn5型IMC的生成。与Sn/Cu焊点相比,Sn-0.7Cu/Cu焊点中Cu6Sn5的厚度更厚,Cu3Sn的厚度更薄。Sn-0.7Cu/Cu-xZn焊点界面IMC均厚于Sn-0.7Cu/Cu焊点界面IMC。(4)在Sn/Cu-xZn焊点中,Cu-Zn基板中添加的Zn元素有细化界面IMC晶粒的作用。此外,当Cu-Zn基板中的Zn含量小于或等于20%时,界面Cu6(Sn,Zn)5的形貌为鹅卵石状,而当Zn含量达到30%时,界面Cu6(Sn,Zn)5的形貌表现为短六棱柱型。在Sn-0.7Cu/Cu-xZn焊点中,Sn-0.7Cu/Cu-30Zn焊点的晶粒半径高于其它焊点。
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