Cu与液态Sn的相互作用(Ⅱ)——金属间化合物生长的SEM观察

用扫描电镜(SEM)研究了Cu与液态Sn的相互作用。观察到了350℃时Cu_6Sn_5的生长突跃和Sn层中化合物生长的形态。以及Sn-Pb合金中随Pb含量增加Cu_6Sn_5生长趋势减弱。

INTERACTION BETWEEN Cu AND LIQUID Sn(II)——SEM OBSERVATION OF INTERMETALLIC GROWTH

The features of Cu_6Sn_5 growing slowly at lower temperature and growing rapidly up over 350℃,and or Cu_3Sn growing at higher temperatures,bave been detailedly observed under SEM.The increase of Pb content seems to inhibit sequentially the growth of Cu_6Sn_5 in Pb-Sn alloy.

空位对Cu/Sn焊点中Cu_(3)Sn层元素扩散的影响

为了探究温度和空位浓度对Cu_(3)Sn层中各元素扩散行为的影响,基于分子动力学方法,使用LAMMPS软件模拟了Cu_(3)Sn层上空位浓度以及温度对各元素扩散系数的影响。结果表明,Cu_(3)Sn层各元素的扩散系数均随温度的升高而增大。与不含空位相比,当Cu_(3)Sn层中存在10%空位时,原子运动更加剧烈,扩散系数增大。进一步研究发现,在一定的温度下(900 K),空位含量增大,扩散系数随之增大。然而,空位含量变化不如温度对扩散系数的影响大。最后,在相同条件下,Cu1和Cu2原子的扩散系数相差不大,且均大于Sn的扩散系数,Cu_(3)Sn层中的主要扩散元素是Cu。

全Cu_(3)Sn焊点在高温时效下的组织及力学性能

对全Cu_(3)Sn焊点进行620℃下不同持续时间的时效处理,研究时效过程中接头微观组织演变,并利用纳米压痕实验及剪切实验表征时效后焊点的力学性能变化。结果表明:在时效过程中,Cu/Cu_(3)Sn界面以平面状析出Cu_(20)Sn_(6)并持续生长,直至Cu_(3)Sn被完全消耗。随后Cu_(20)Sn_(6)向Cu_(20)Sn_(6)和Cu_(13.7)Sn组成的两相层转变,Cu_(13.7)Sn通过消耗两相层在Cu/两相层的界面处以波浪状析出并继续生长,直至占据整个界面区,该过程中伴随着焊缝中间位置孔洞数量和尺寸的生长,最终聚合成微裂纹。Cu_(20)Sn_(6),Cu_(3)Sn,Cu_(13.7)Sn相的硬度分别为9.62,7.15,4.67 GPa,弹性模量分别为146.5,134.0,133.2 GPa。随时效时间的增加,焊点的抗剪强度呈先增大后减小的趋势,在120 min内保持大于20.1 MPa;其断口形貌和断裂路径也随之发生变化。

超声-TLP制备Cu-Sn焊点的组织演变及力学性能研究

利用超声辅助瞬态液相连接(超声-TLP)对Cu/Sn/Cu三明治结构进行钎焊试验,超声波的频率和功率分别为600W、20 kHz,焊接时加热温度为280℃,施加压力为0.06 MPa。在施加超声20 s后获得了全Cu_(3)Sn焊点,相比于传统TLP钎焊,大幅度提高了焊接效率;钎焊过程中,Cu_(3)Sn呈锯齿状,焊缝中Cu_(6)Sn_(5)为棒状或条状,最终转变成全Cu_(3)Sn焊点,且Cu_(3)Sn晶粒呈现出等轴晶形态。通过超声-TLP制备的全金属间化合物(IMC)焊点具有均匀的力学性能,其中Cu_(3)Sn相的杨氏模量和硬度分别为129.183.4.861 GPa,Cu_(6)Sn_(5)相的杨氏模量和硬度分别为127.586.6.110GPa。钎焊时间为2.8.20s获得的焊点剪切强度分别为31.8039.03.70.58 MPa,焊点的抗剪切强度随着焊缝中IMC的比例增加而增大。

MEMS封装中全Cu_(3)Sn焊点组织演变及剪切性能

对Cu/Sn+Sn/Cu结构进行了低温键合,在不同的键合时间下制备焊点,分析了键合时间对焊点界面组织演变的影响和全Cu_(3)Sn焊点制备过程中界面反应机理,对焊点的剪切性能进行了分析和研究。结果表明,随着键合时间的增加,Cu_(6)Sn_(5)逐渐变成扇贝状并不断长大。键合时间达到90 min时,Sn完全被消耗,继续增加键合时间,Cu_(3)Sn以Cu_(6)Sn_(5)的消耗为代价不断长大,最终全部转变成Cu_(3)Sn。随着加载速率的增加,全Cu3Sn焊点的抗剪切强度值逐渐减小,焊点界面两侧Cu3Sn界面处沿晶断裂占焊点断裂模式的比例越来越大,因为这种沿晶断裂的抗剪切能力较小,所以焊点的抗剪切强度随着加载速率的增加而下降。

不同取向Cu/Cu_(3)Sn界面处原子扩散行为的分子动力学模拟

为研究不同取向对Cu/Cu3Sn界面原子扩散行为的影响,建立了(100)Cu_(3)Sn//(100)Cu、(100)Cu_(3)Sn//(110)Cu以及(010)Cu_(3)Sn//(112)Cu三种界面结构的模型。运用分子动力学方法模拟了900~1100 K下各模型Cu/Cu3Sn界面处的原子扩散,观察具体的扩散情况并计算了扩散系数。结果表明,温度和界面取向均对扩散系数有影响。温度升高,界面原子的紊乱程度加剧。同一模型的扩散系数随温度升高而增大。三种界面结构在同一温度下界面偏移程度不同,Cu晶体中的Cu原子扩散速度要低于Cu_(3)Sn中的Cu1、Cu2和Sn1原子,其中Cu原子是Cu_(3)Sn相中界面扩散的主要原子。对于Cu晶体,(110)Cu取向上的Cu原子扩散速度最快。Cu3Sn晶体在900~1000 K时,(010)Cu_(3)Sn//(112)Cu模型界面的Cu1、Cu2和Sn1原子由于扩散激活能垒最低而显得扩散速度最快;在高于1000 K时,(100)Cu_(3)Sn//(110)Cu模型的Cu1、Cu2和Sn1原子由于原子排列稀疏、扩散阻力最小而扩散速度最快。三种Cu/Cu_(3)Sn界面结构取向模型扩散速度的差异是界面原子排列及相应原子的扩散激活能不同导致的。