Sn-Cu-Bi无铅钎料界面化合物生长行为研究

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金属间化合物(IMCs)产生于无铅钎料与基板间界面反应,IMCs的生长演变规律对焊点使用寿命、可靠性和电子封装质量有很大影响。目前应用于电子封装中的无铅钎料存在的最大问题是钎料熔点较高,在钎焊过程需要更高的加热温度和保温时间,从而降低电子元器件使用寿命和性能。针对上述问题本文以Sn-0.7Cu为基体,添加Bi来降低熔点,添加微量Ni、Co元素改善焊点机械性能。采用高真空电弧熔炼的方法制备Sn-0.7Cu-10Bi-xNi/Co(SCB-xNi/Co,x=0,0.05,0.10,0.15,0.20 wt.%)复合无铅钎料,探索微量Ni、Co元素在界面反应及IMCs生长演变中的作用规律。结果表明:添加Bi降低了钎料合金熔点,微量Ni、Co对熔点影响较小。添加Ni、Co使SCB-X/Cu界面IMCs层形貌从扇贝状结构向平面状结构转变。界面反应时在IMCs中生成了(Cu,Ni)6Sn5、CoSn3、(Cu,Co)6Sn5相可以有效阻止Cu原子从基板侧向钎料/IMCs界面处扩散,降低Cu6Sn5生长速率,减小IMCs层厚度。在SCB-0.15Co/Cu界面生成了多孔结构CoSn3相,生长速度远大于Cu6Sn5,因此IMCs层形貌呈平面状且厚度增加,由于CoSn3具有多孔结构,造成IMCs层在时效过程中逐渐溶解,IMCs层厚度减小。Co作为基板时,IMCs层中Ni原子含量决定了IMCs层的热稳定性,Ni原子占据了CoSn3相中Co原子亚晶格位置,形成(Ni,Co)Sn3分布于IMCs层,改善了IMCs层高温稳定性。SCB-xCo/Co界面处Co原子浓度平衡的变化造成IMCs层出现长大、分层和溶解等现象,在吸附力作用下自由态IMCs颗粒二次长大。
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