趙國(guó)際
(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,重慶401120)
隨著釬料無(wú)鉛化進(jìn)程的深入和電子封裝技術(shù)的發(fā)展,高性能無(wú)鉛釬料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已成為提高微連接可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。由于錫鋅合金的共晶溫度(198.5℃)接近傳統(tǒng)錫鉛合金的共晶溫度(183℃),且材料成本低、焊接接頭(焊點(diǎn))力學(xué)性能優(yōu)良,被認(rèn)為是一種可替代傳統(tǒng)錫鉛釬料的合金[2-3]。但鋅性質(zhì)活潑,導(dǎo)致錫鋅合金的鋪展性與抗氧化性能較差,使錫鋅合金的應(yīng)用受到一定限制。目前,關(guān)于錫鋅二元合金的研究主要集中在Sn-9Zn合金上[3],而 Wei[4]和 Mahmudi[5]的研究則認(rèn)為亞共晶Sn-6.5Zn合金具有更好的鋪展性和結(jié)合性能,具有一定的應(yīng)用前景。
在錫鋅二元合金中添加一定種類和數(shù)量的合金化元素是改善釬料性能的主要方式[1-3],而釬焊時(shí)界面反應(yīng)過(guò)程中金屬間化合物(IMC)的形成及其特征對(duì)焊點(diǎn)結(jié)合性能起著至關(guān)重要的作用。目前,關(guān)于微量稀土(RE)添加對(duì)亞共晶Sn-6.5Zn合金/銅焊點(diǎn)界面IMC特性影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此,作者研究了微量釹對(duì)Sn-6.5Zn/銅焊點(diǎn)界面IMC特性及焊點(diǎn)剪切性能的影響,為新型錫鋅系合金的研發(fā)提供參考。
試驗(yàn)用Sn-6.5Zn-xNd(x=0,0.1,0.5)合金釬料用純度不小于99.9%的純錫、純鋅、純釹按照所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)配料,并考慮鋅燒損,在ZG-001型真空爐中進(jìn)行兩次熔煉后在鋼模中澆鑄而成。
取0.2g的Sn-6.5Zn-xNd釬料合金置于厚度為0.2mm的T2銅基板中央,利用市售松香焊錫膏作為釬劑覆蓋釬料,在SX-12型箱式電爐中形成鋪展焊點(diǎn)后(溫度255℃,時(shí)間40s),利用體積分?jǐn)?shù)為13%HNO3溶液溶解銅基板上多余的釬料,然后用無(wú)水乙醇沖洗并吹干,用TESCAN VegaⅡLMU型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)Sn-6.5Zn-xNd合金/銅焊點(diǎn)界面的IMC層形貌進(jìn)行觀察;并利用配套的OXFORD ISIS300型能譜分析儀(EDS)進(jìn)行特征位置成分分析。圖1所示為焊點(diǎn)界面IMC形貌觀察試樣制備示意圖。
焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)依照GB/T 11363-2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中剪切試驗(yàn)進(jìn)行,接頭試樣如圖2所示,Sn-6.5Zn-xNd合金釬料在軋輥機(jī)上軋制成0.1mm厚的薄帶,并以板厚為3.8mm的T3純銅為基材,松香焊錫膏作釬劑,釬焊溫度255℃,時(shí)間4min。利用ANS型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸-剪切試驗(yàn),加載速度為0.5mm·min-1,每種試樣取3次平均值。并對(duì)斷口進(jìn)行SEM形貌觀察和EDS成分分析。
圖2 焊點(diǎn)接頭試樣尺寸Fig.2 Dimension of a tensile-shear joint
釬料/基板焊點(diǎn)界面結(jié)構(gòu)及IMC特性會(huì)直接影響連接的可靠性。由于基材與IMC層間熱膨脹系數(shù)差異顯著,會(huì)導(dǎo)致連接界面發(fā)生開(kāi)裂[6]。液態(tài)錫鋅合金與銅基板接觸時(shí)會(huì)在界面處至少形成兩層IMC,即在靠近銅基板側(cè)形成一層厚度極小的CuZn層,而在靠近液態(tài)釬料側(cè)形成Cu5Zn8層[4-7]。此外,在釬焊過(guò)程中,基板中的銅原子會(huì)穿越界面上IMC層向釬料的擴(kuò)散,并在局部區(qū)域與釬料中的鋅原子結(jié)合形成顆粒狀Cu5Zn8相[6]。
Sn-6.5Zn/銅鋪展焊點(diǎn)界面SEM形貌如圖3所示,特征位置EDS分析結(jié)果見(jiàn)表1。
圖3 Sn-6.5Zn/銅焊點(diǎn)界面SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the interface of the Sn-6.5Zn/Cu soldered joint
表1 特征位置EDS分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù))Tab.1 Composition of characteristic positions measured by EDS(atom) %
依據(jù)界面特征位置EDS分析結(jié)果并結(jié)合相關(guān)研究[3-7],可以判定顆粒狀I(lǐng)MC為Cu5Zn8(圖3中A與B處),呈板狀分布于銅基板上的IMC主要為CuZn(圖3中C處)。液態(tài)釬料與基板接觸即會(huì)發(fā)生界面反應(yīng),形成的CuZn會(huì)與釬料中的鋅繼續(xù)反應(yīng)形成Cu5Zn8[6];試驗(yàn)溫度條件下,Sn-6.5Zn釬料和基板反應(yīng)不夠充分和均勻,導(dǎo)致形成與生長(zhǎng)的Cu5Zn8尺寸較大且分布的致密性與均勻程度均較差,位向由基板指向釬料。
由鋅錫二元合金相圖可知,Sn-6.5Zn合金組織為初生β-Sn相與共晶組織;研究表明[8-9],稀土元素在錫鋅合金中的微量添加通常能夠起到細(xì)化晶粒、改善潤(rùn)濕性能及焊點(diǎn)力學(xué)性能的作用。
由圖4可知,添加微量釹元素后,釬料/銅焊點(diǎn)界面形成了細(xì)密的圓丘狀I(lǐng)MC,而Sn-6.5Zn/銅焊點(diǎn)界面的IMC較粗大(見(jiàn)圖3),可見(jiàn)微量釹元素在Sn-6.5Zn合金中的添加能夠顯著細(xì)化界面IMC的尺寸。這是因?yàn)镾n-6.5Zn中添加微量釹元素后,釬料與銅基板間的界面反應(yīng)更充分且均勻,有利于避免界面處過(guò)大尺寸Cu5Zn8相的形成。從圖4中可見(jiàn),釹添加量分別為0.5%,0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的兩組焊點(diǎn)其界面IMC尺寸及分布沒(méi)有明顯差異,說(shuō)明釹添加量對(duì)其影響不大。
圖4 Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點(diǎn)界面IMC的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of IMC in the interface of Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints
從圖5可見(jiàn),在Sn-6.5Zn合金中添加微量釹(0.1%)能夠顯著改善釬料/銅基板的結(jié)合性能,而添加量較多時(shí)(0.5%)則會(huì)導(dǎo)致結(jié)合性能下降。
圖5 Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點(diǎn)拉伸-剪切強(qiáng)度Fig.5 Tensile-shear strength of the Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints
圖6 Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點(diǎn)斷口SEM形貌及特征點(diǎn)EDS譜Fig.6 Fracture SEM morphology of Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints and EDS analysis of a characteristic position
拉伸-剪切試驗(yàn)中,三種焊點(diǎn)斷裂均發(fā)生在釬料中。由圖6可以看出,Sn-6.5Zn/銅焊點(diǎn)形成了拋物線形剪切韌窩與等軸韌窩混合型斷口形貌,Sn-6.5Zn-0.1Nd/銅斷口主要表現(xiàn)為不規(guī)則的拋物線形剪切韌窩形貌,而Sn-6.5Zn-0.5Nd/銅斷口主要表現(xiàn)為等軸韌窩形貌;等軸韌窩形貌特征表現(xiàn)為撕裂棱包圍著形狀大小不均的凹坑,且在凹坑底部存在明顯的第二相粒子,由前述界面化合物的相關(guān)分析可判斷這些第二相粒子為Cu5Zn8相;EDS分析結(jié)果表明,Sn-6.5Zn-0.5Nd/銅等軸韌窩凹坑底部的第二相粒子中存在元素釹的富集。有研究表明[8],錫鋅合金中釹含量較高時(shí)會(huì)在釬料/基板界面處富集并形成IMC NdSn3,導(dǎo)致釹對(duì)焊點(diǎn)中釬料的變質(zhì)處理作用弱化,造成接頭中組織不均勻和結(jié)合強(qiáng)度下降。
Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點(diǎn)試樣斷口分析表明,添加適量稀土元素釹能夠顯著改善釬料/銅基板界面反應(yīng)的均勻化程度,有利于提高焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度;釹元素添加量過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)界面處稀土化合物的聚集,對(duì)結(jié)合強(qiáng)度明顯不利。
(1)在Sn-6.5Zn合金中添加微量釹具有明顯的變質(zhì)作用,能夠顯著減小釬料/銅界面處Cu5Zn8相的尺寸,提高界面IMC層的致密性。
(2)加入0.1%的釹能顯著改善Sn-6.5Zn釬料/銅焊點(diǎn)界面反應(yīng)的均勻化程度,并避免了剪切斷口中等軸形韌窩的形成,有利于提高結(jié)合強(qiáng)度;添加0.5%釹元素后對(duì)界面IMC尺寸與分布不會(huì)產(chǎn)生明顯影響,但會(huì)導(dǎo)致界面局部稀土化合物的聚集,對(duì)結(jié)合強(qiáng)度顯著不利。
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