無鉛焊料中Ag3Sn的成核與生長(zhǎng)-深圳市福英達(dá)
無鉛焊料中Ag3Sn的成核與生長(zhǎng)-深圳市福英達(dá)
由于Ag能為錫膏帶來更好的導(dǎo)電性和潤(rùn)濕性，目前焊料界的低溫和中溫的無鉛焊料很多都會(huì)含有少量的Ag來起到優(yōu)化焊點(diǎn)的作用。含有Ag的錫膏，如SnAg3Cu0.5和SnBi47.6Ag0.4，在回流后生成的焊點(diǎn)通常比SnCu和SnBi類的錫膏性能更優(yōu)秀。在這些含Ag焊料中，金屬間化合物（IMC）Ag3Sn在凝固過程中往往以共晶反應(yīng)形式生成。有不少研究稱初級(jí)Ag3Sn板生長(zhǎng)會(huì)給焊點(diǎn)帶來不良影響，因此分析Ag3Sn在焊料層中的生長(zhǎng)機(jī)制很有必要。
Cui等人將不同焊料合金在高溫下壓成30μm厚的金屬箔，然后加入助焊劑并回流形成直徑500μm的球體。焊料樣品會(huì)進(jìn)行DSC實(shí)驗(yàn)加熱然后冷卻。通過分析吸熱峰可以了解Ag3Sn的液相線溫度。
Ag3Sn過冷
下圖描述了過冷對(duì)Sn95Ag5中初級(jí)Ag3Sn生長(zhǎng)的作用，回流冷卻速率為5K/min。從結(jié)果來看，Ag3Sn成核過冷范圍大約為17–68°C。此外，Ag3Sn在最小的過冷度（<20°C）下的生長(zhǎng)形狀為單晶板。隨著過冷度加深至~25°C，在偏振光成像中形成了三個(gè)分叉的Ag3Sn板。當(dāng)過冷超過40℃，Ag3Sn板仍然呈現(xiàn)分支現(xiàn)象，但會(huì)出現(xiàn)平行板。更高程度的過冷度會(huì)讓Ag3Sn和β-Sn出現(xiàn)不同的成核溫度，從而為Ag3Sn的生長(zhǎng)和粗化提供了更長(zhǎng)的窗口期。
圖1. 不同SnAg5過冷溫度的Ag3Sn微觀結(jié)構(gòu)。
冷卻速度對(duì)Ag3Sn的影響
當(dāng)冷卻速度較低時(shí)，Ag3Sn會(huì)在SnAg5球中以單晶形態(tài)生長(zhǎng)。隨著增加回流過程中的冷卻速度，更多的Ag3Sn生長(zhǎng)以孿晶的形式發(fā)生。明顯的是，孿晶傾向于在較低的溫度下形成，即在較深的過冷度下形成的孿晶。此外從圖2(b)可以看到，當(dāng)冷卻速度升高，Ag3Sn成核的起始溫度會(huì)更低。
圖2. SnCu5中的Ag3Sn在不同冷卻速度下的成核。
焊料與銅基板焊接后的Ag3Sn生長(zhǎng)
由于β-Sn成核的干擾較少，SnAg5的平均Ag3Sn過冷度比其他三種焊料更深。此外，Cui等人發(fā)現(xiàn)銅焊盤可以對(duì)當(dāng)焊料Ag3Sn成核起到催化作用。與銅基板焊接時(shí)，Ag3Sn成核起始溫度明顯高于相對(duì)應(yīng)的焊料球，且所有焊點(diǎn)的成核溫度都高于Ag3Sn的液相線溫度。
圖3. 不同焊料中的Ag3Sn成核起始溫度。
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參考文獻(xiàn)
Cui, Y., Xian, J.W., Zois, A., Marquardt, K., Yasuda, H. & Gourlay, C.M. (2023). Nucleation and growth of Ag3Sn in Sn-Ag and Sn-Ag-Cu solder alloys. Acta Materialia, vol.249.
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