论文摘要
随着电子产品轻、薄、短、小的要求和世界范围内无铅化进程的推动,焊点将迎来更加苛刻的服役环境,封装技术将面临更加严峻的挑战。界面金属间化合物（IMC）的厚度对焊点的可靠性至关重要,而IMC的形貌势必会影响其生长动力学。所以研究界面IMC形貌演变和生长动力学从而有效地控制其生长就显得尤为重要。焊盘尺寸将伴随焊点尺寸的减小而减小,因此本文选用单晶金属作为基体,研究极微细情况（焊盘中只含有一个晶粒）下其与无铅钎料的界面反应。另外,单晶基体没有晶界的影响,可以从本质上研究界面反应过程。本文选用（001）Cu单晶作为基体研究其与Sn-xCu （x=0,0.7）钎料在150℃,20℃和40℃时效条件下的固/固界面反应。考察了时效温度和钎料中Cu浓度对界面Cu6Sn5形貌演变及界面IMC生长动力学的影响。研究发现,浸焊后的界面IMC只有棱晶状的Cu6Sn5晶粒,150℃时效过程中在Cu基体与Cu6Sn5之间生成一层Cu3Sn。随着时效时间的延长Cu6Sn5晶粒棱角逐渐变钝,直至转变为扇贝状,其厚度先减小后增大；Cu3Sn厚度和IMC总体（Cu6Sn5+Cu3Sn）厚度随着时效时间的延长而增大。IMC总体（Cu6Sn5+Cu3Sn）、Cu3Sn和稳定后Cu6Sn5的生长符合抛物线规律。在短时间（不超过10h）内Cu3Sn与IMC总体厚度的比值即可达到稳定。钎料中0.7 wt.%Cu的加入会显著降低Cu3Sn的生长速率,提高Cu6Sn5的生长速率,但对IMC总体生长速率影响不大。20℃时效至3000 h,40℃时效至500 h界面仅生成Cu6Sn5一种IMC,且保持初始状态的棱晶状形貌。Cu3Sn的快速生长是Cu6Sn5晶粒由棱晶状转变为扇贝状的原因。选用（001）Ni单晶作为基体研究其与纯Sn, Sn-0.7Cu, Sn-0.7Cu-0.1Ni, Sn-1.5Cu, Sn-1.5Cu-0.1Ni五种钎料在250℃和300℃下的固/液界面反应,研究钎料成分、反应时间和温度对（Cu,Ni）6Sn5晶粒规则排列的影响。结果显示,在Sn-0.7Cu-0.1Ni, Sn-1.5Cu, Sn-1.5Cu-0.1Ni钎料中可以发现界面（Cu,Ni）6Sn5晶粒的规则排列,而在纯Sn和Sn-0.7Cu钎料中界面IMC晶粒呈各向同性的无规则排列。我们用（Cu,Ni）6Sn5晶粒与（001）Ni之间的位相关系和钎料中Cu的饱和溶解度,并借助于Sn-Cu-Ni三元相图解释了这一现象的合理性。（Cu,Ni）6Sn5晶粒随反应时间的延长排列越发不规则。单晶金属基体上生成的界面IMC存在错配度最低的择优取向。沿着这些方向生成的界面IMC具有最小的形核驱动力,所以单晶金属基体上的IMC成规则排列。规则排列的消失是因为在IMC与单晶基体之间生成一层新相,打破单晶基体对IMC的约束。