论文摘要
微电子封装工艺中,起到热、电和机械连接作用的无铅焊料焊点组织中金属间化合物的形态和分布直接影响着该合金的连接性能。同时连接界面处金属间化合物的成分及形貌也密切影响着焊点在服役过程的可靠性。因此,展开对于无铅焊料基体内部金属间化合物的形成和连接界面处金属间化合物的析出的研究具有相当重要的意义。本文以Sn-3.7wt.%Ag合金基准,通过向其中添加不同含量的Zn,系统研究了Sn-3.7Ag-xZn平衡凝固过程中金属间化合物的析出规律。结合显微组织观察和差热分析,从凝固过程两相竞争生长的角度揭示了块状金属间化合物的形成机理;在此基础上,对于Sn-Ag-Zn基无铅焊料和Cu基板的连接界面进行了初步研究;最终揭示Zn的加入对于焊料内部以及焊料和Cu基板连接界面处金属间化合物形成和演化的影响。通过改变Zn含量,系统地研究了平衡凝固条件下Sn-3.7Ag-xZn合金组织中相的形成和金属间化合物的析出规律。研究结果表明:Zn的加入,促进了Ag-Zn金属间化合物的形成,抑制了Ag3Sn的析出。当Zn含量达到3wt.%时,Ag3Sn已经完全消失,组织中只有AgZn和Ag5Zn8两种金属间化合物。过共晶合金熔体中的共晶AgZn相（或Ag5Zn8相、Ag3Sn相）因与先析出AgZn相（或Ag5Zn8相、Ag3Sn相）有共同的晶体结构,会在小过冷度下依附于后者生长并成为块状AgZn（或Ag5Zn8相、Ag3Sn相）相。对于Sn-Ag-xZn和Cu基板连接界面的研究表明:Zn含量的变化,对界面处的金属间化合物的析出产生了显著影响。随着Zn含量的提高,界面首先由单层的Cu6Sn5结构转变为Cu5Zn8和Cu6Sn5的双层结构。随着Zn含量的进一步增加,Cu6Sn5则完全消失,界面处只形成了一层Cu5Zn8。且由于Zn的加入降低了Cu在液态焊料中的溶解度,加快了金属间化合物的形成速度,因此,随着Zn含量的增加,界面处金属间化合物层的厚度逐渐增加。最后,对Sn-3.7Ag-0.9Zn-1In和Cu基板连接界面作了初步探索。连接界面的形成可分为三个阶段:在焊接初期,由于富Zn区的存在,会在界面处形成Cu5Zn8层和Cu6Sn5层夹杂过渡中间焊料层的结构;焊接中期,Cu5Zn8层和Cu6Sn5层都要向中间的过渡焊料层生长,特别是Cu5Zn8层;焊接末期,Cu5Zn8层迅速分解,Cu6Sn5层迅速生长,此时,中间过渡焊料层消失。在焊接过程中,In并没有参加界面反应,但是In的加入使富Zn区的形成位置更加远离Cu基板,导致焊接初期在界面处形成Cu5Zn8层和Cu6Sn5层夹杂过渡中间焊料层的结构。