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N元素对钎焊接头界面的影响

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-12-05  浏览次数:4545
核心提示:N元素对钎焊接头界面的影响2.1界面IMC形貌SAC-xNi/Cu焊点界面IMC组织组织形貌如图所示,当添加Ni元素后,焊点界面IMC尺寸显著细化

  N元素对钎焊接头界面的影响

2.1  界面IMC形貌

     SAC-xNi/Cu焊点界面IMC组织组织形貌如图所示,当添加Ni元素后,焊点界面IMC尺寸显著细化,相同的回流次数,N的增加使IMC细化明显:一次回流焊接后的SAC/Cu焊点界面的IMC晶粒尺寸约为4µm0.5%Ni添加后IMC晶粒变为1.5µm左右。SAC-xNi/Cu焊点界面IMC晶粒在多次回流焊接过程中长大现象部明显,具有较好的储存稳定性。

     添加的Ni颗粒时IMC晶粒细化可利用热动态模型、元素间的相互作用和IMC形成的驱动力来解释IMC细化现象。根据Chou模型得公式1-1.εij=

     交互作用参数εij可用来表征元素间的亲和力,如果εij为负,说明ij之间具有强的亲和力,绝对值越大表明亲和力越强。不同温度下NiSnCuSn交互参数εij的计算结果如图所示,,说明NiSn的亲和力大于CuSn的亲和力。因此焊点界面附近短程有序的Ni-Sn IMC更加容易成为界面IMC的晶核,减少了IMC的临界形核能,临界形核能降低时,形核率增加,所以在符合钎料焊点界面IMC的晶粒显著细化。

     添加Ni元素后焊接界面形成了两种IMC,即(NiCu3Sn4和(CuNi6Sn5,都由三种相同的元素Ni-Cu-Sn组成,只是比例不同,界面两种IMC的晶粒大小差异很大,据文献报道,d层轨道的电子在过渡金属催化作用中扮演重要角色,而CuNi原子都为过渡金属,Cu原子的电子态为【Ar3d10s1,Ni的电子态为【Ar3d8s2.下图表示金属CuNi、的sd能带及其能量密度,s层轨道能带分布较广约20eV,而d层轨道能带较窄约4eV,在d轨道中有较多电子被局限在狭窄能带中,所以能量密度较高,活性较大。Sd层轨道两者间由重叠现象,电子部分进入3d而影响d能带充满。专家指出【139】,每一过渡金属原子都拥有dsp杂化轨道,利用杂化轨道的重叠形成金属键,因此d轨道可分为二类,一类是dsp杂化轨道,另一类则保持原有d轨道性质。CuNi原子分别影响IMC生长行为与d层轨道是否填满有关,Cud层轨道全部填满,为稳定状态。Nid层轨道是未充满状态,且d轨道的能量密度较高,活性较大,容易与周围原子作用,具有较大的催化活性,所以促进了(CuNi06Sn5IMC的异常长大。

2.2  界面IMC层结构

     由于Ni-Sn的亲和力大于Cu-Sn的亲和力,而且Ni可以取代Cu6Sn5Cu的位置形成(CuNi6Sn5IMC吉布斯自由能降低而稳定存在,因此添加的Ni颗粒能快速与CuSn反应在其周围生成三元Cu-Ni-Sn化合物,导致钎料中自由活动的Cu原子浓度减少,Cu基体和钎料中的Cu浓度随之增加,界面IMC生长的驱动力变大,生长速度增加。

     高温时效后,SAC-0.5Ni/Cu焊点界面由单层结构变成双层结构,(靠近钎料的(CuNi)6Sn5层和靠近Cu基材的Cu3Sn层),疏松的外层含有较多的Ni,致密的内层含Ni含量较少,由于MIC层生长产生大量的内应力,局部MIC区域开始脱离MIC层进入钎料。比较回流过程和时效过程IMC层的变化,疏松的(CuNi)6Sn5层产生于焊接过程中,致密的(CuNi)6Sn5层在时效中生长。

      在150oC时效处理后,与基体钎料SAC相比,Ni的添加促进了(CuNi)6Sn5层的生长,降低了界面Cu3Sn层的生长速度。因为Ni的添加,界面Cu6Sn5IMC的吉布斯自由能降低,在同样的热输入条件下,界面MIC反应会更加剧烈,使(CuNi)6SnIMC层生长加快。同时,钎料中Ni的存在使得原本SAC/Cu界面上的Cu6Sn5层转化为非常稳定的(CuNi)6Sn5抑制了生成Cu3Sn的反应Cu6Sn5+9Cu——5Cu3Sn,大大降低了界面处Kirkendall空洞产生的几率。SAC/Cu焊点1000小时时效后界面IMC处出现一些Kirkendall空洞,但是含Ni钎料几乎没有。

2.3  IMC龟裂的产生

无铅钎料焊点界面的Cu-Sn金属件间合物非常脆,往往产生许多细微的龟裂或者裂纹,这种龟裂估计与由于Cu-Sn的同素异晶相变态而产生结晶构造变化和发生应力有密切的关系。

高温稳定相的六方晶(186℃以上)和低温稳定相的单斜晶Cu6Sn5186℃以下)在温室下理论密度分别估计是8.448g/cm38.270g/cm3.这就是说在温室下被“冻结”的焊接接合界面的六方晶Cu6Sn5伴随着焊接工程或者其后的电子电路使用中的温度上升如果相变态成单斜晶,意味着产生理论上2.15%的体积膨胀。由于因体积状态下2.15%的体积膨胀会发生非常大的内部应力,所以Cu6Sn5中龟裂发生的主要原因是伴随着这种相变态而发生呢个的内部应力所致。由于含Ni的(CuNi)6Sn5在同样的温度条件下不会引起六方晶的相变态,因此经验上没有由此引起的体积变化,从而可以抑制龟裂的发生。

3   结论

     向钎料合金中添加未来那个元素Ni,可以起到细化组织和改善润湿性作用;抑制Si枝晶的生长,使钎料凝固时Cu6Sn5微粒与共晶组织分布更加细化均匀;抑制Cu向钎料中溶解,抑制界面Cu3Sn的生长;减少界面MIC晶粒龟裂的发生;同时可以使熔融潜力表面的针状化合物Cu6Sn5变成球状,使钎料流动性得到明显的改善,抑制波峰焊点“桥连”等不良现象的发生。但Ni的添加不易过高,当大于0.5%Ni元素可致钎料熔点大幅升高,润湿性下降,焊点界面易生成疏松状的IMC层,且IMC层快速生长剥离,影响焊点可靠性。Ni在无铅钎料中的添加量优选范围建议为0.02-0.2%

 
 
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