Ga和Nd對Sn-Zn無鉛釬料錫須抑制作用研究.pdf

1、Sn–Zn共晶釬料是熔點最接近Sn–Pb釬料的無鉛釬料，且其力學(xué)性能優(yōu)于Sn–Pb釬料。雖然由于Sn–Zn釬料潤濕性能差，但是仍然受到研究者的重視。已有研究表明，添加Ga、Ce、Pr元素能顯著提高Sn–Zn釬料的潤濕性能，但是存在誘發(fā)“錫須”生長的風(fēng)險。然而稀土元素Nd的添加表現(xiàn)出與眾不同的性能，因此，本文針對Sn–Zn釬料中添加Ga以及稀土元素Nd的變化規(guī)律進行了深入、系統(tǒng)的研究。
　　采用潤濕平衡法研究了稀土元素Nd的添加對S

2、n–9Zn–0.5Ga釬料潤濕性能的影響。研究結(jié)果表明，適量Nd元素的添加可以顯著改善釬料的潤濕性能，當Nd元素的添加量為0.08wt.％時，釬料的潤濕性能最佳，在240℃的試驗條件下，釬料的潤濕時間縮短了21%，潤濕力則增加了45%；采用自制的Sn–Zn專用助焊劑助焊效果優(yōu)于市售水溶性助焊劑。
　　Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd無鉛釬料在三種鍍層上的潤濕性能隨著溫度的升高而顯著提高，表現(xiàn)為潤濕時間逐漸減小，潤濕力逐漸增大

3、。在240℃以上時，Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd釬料在三種鍍層試片上的潤濕時間均滿足波峰焊t0≤1s的要求。三種鍍層中，釬料在純Sn和Sn–Bi鍍層上的潤濕時間小于Au/Ni鍍層。采用自制Sn–Zn專用助焊劑釬焊時，釬料在純Sn鍍層上表現(xiàn)最佳；使用水溶性助焊劑時，釬料在Sn–Bi鍍層上表現(xiàn)最佳。
　　適量添加Nd元素可以顯著改善Sn–9Zn–0.5Ga釬料的顯微組織，使得釬料基體組織中富Zn相的尺寸減小，基體組織得到細化

4、，當Nd元素的添加量為0.08%時基體顯微組織最為細小均勻。理論分析表明，主要是由于Nd元素的吸附特性可以降低晶界自由能以及不同晶界間的自由能差，從而阻止了晶粒的長大，進而得到均勻的釬料基體組織。
　　研究發(fā)現(xiàn)，Nd元素的添加可以顯著提高Sn–9Zn–0.5Ga微焊點的力學(xué)性能。當Nd元素的添加量為0.08%時，焊點的抗剪力最大，相比母合金提高了25.5%；對焊點進行時效處理后發(fā)現(xiàn)，焊點的力學(xué)性能有所下降，但下降速率相比母合金明顯

5、降低，經(jīng)過720小時的時效處理后，焊點的抗剪力仍高于未經(jīng)時效的Sn–Zn焊點。
　　適量Nd元素的添加可以抑制焊點界面金屬間化合物層的生長，減小界面層的厚度。經(jīng)過時效處理后，Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd/Cu焊點界面層仍保持相對連續(xù)，凸起、凹陷等情況明顯減少。對焊點經(jīng)過時效處理后的斷口形貌進行分析后發(fā)現(xiàn)，釬料與Cu基板的斷口處均可發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩，呈現(xiàn)典型的韌性斷裂，說明斷裂發(fā)生在釬料內(nèi)部。經(jīng)過長時間的時效處理后，焊點的斷

6、口形貌整體依然呈現(xiàn)典型的韌性斷裂，使得焊點仍然可以保持較高的力學(xué)性能。
　　研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素Nd對錫須的生長具有明顯的影響。添加過量稀土元素的Sn–9Zn–1Nd釬料在不同時效條件下均發(fā)現(xiàn)了錫須生長現(xiàn)象，且在長期時效后錫須長度均超過了安全范圍。而具有最佳稀土元素Nd含量的Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd釬料無論在高溫還是室溫的條件下都沒有觀測到明顯的錫須大面積生長情況，可滿足微電子元器件的相關(guān)要求。高溫下的錫須長度要小于室

7、溫的情況，錫須的生長形態(tài)也有差異。室溫條件下的稀土形態(tài)以細長的絲狀或針狀居多，而高溫條件下的錫須形態(tài)以堆疊纏繞的團絮、腫瘤狀、島狀、丘狀為主。
　　復(fù)合添加Nd與Ga元素，在最優(yōu)的添加量范圍，即Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd釬料無論在高溫還是室溫的條件下都沒有觀測到明顯的錫須生長情況，這為“抑制”錫須生長、提高焊點可靠性提供了新的研究思路。對其反應(yīng)機制的研究發(fā)現(xiàn)：Ga元素對釬料基體中的錫須生長抑制作用主要表現(xiàn)為Ga取代了S

8、n與Nd反應(yīng)生成了Ga–Nd相，使得Sn–Nd相的數(shù)量大大減少，從而消除了錫須的生長源。在釬焊過程中當稀土元素和Ga元素在釬料表面富集時，由于Ga的富集效應(yīng)極大地改變了相關(guān)化合物的非標準吉布斯自由能，Ga–Nd相的生成將優(yōu)先于Sn–Nd相。
　　Ga元素對焊點界面附近的錫須生長抑制作用一方面表現(xiàn)為Ga元素在界面處的大量聚集減少了界面附近Sn–Nd相的生成，消除了由稀土相引發(fā)的錫須生長；另一方面則表現(xiàn)為Ga元素和Nd元素的協(xié)同作用使

9、得時效過程中界面層保持相對完整，界面層中的孔洞、裂紋以及凸起、凹陷等情況較少，抑制了時效過程中由于原子擴散產(chǎn)生應(yīng)力而造成的錫須生長。由此可見，Ga與Nd的優(yōu)先反應(yīng)和Ga與Nd的協(xié)同作用是Sn–9Zn–0.5Ga–0.08Nd釬料具有錫須抑制作用的根本原因。
　　通過Sn–9Zn–0.5Ga–2Nd和Sn–9Zn–1Ga–2Nd釬料焊點進行時效處理后發(fā)現(xiàn)，當Ga元素和Nd元素的添加量為1:2左右時，Ga元素可以通過生成Ga–Nd相從