【正文】 間后(此處只選取 0、 2 480小時(shí)時(shí)效，此時(shí)組織結(jié)構(gòu)變化較為明顯，其他兩組分別介于臨近兩組之間，組織 是 過渡階段 )， 3號(hào)試樣的界面組織如圖 。 Cu基板上， 界面化合物層為呈扇貝形的 Cu6Sn5，其向釬料基體中生長(zhǎng) 。在 大的板條狀的 Ag3Sn,見圖 （ a） 和圖 。這種板條狀 Ag3Sn相的存在會(huì)對(duì)焊點(diǎn)性能帶來不利的影響。 從圖 ，分別分析對(duì)比 0、 2 480小時(shí)時(shí)效組中的 3號(hào)試樣可知，在相同時(shí)效里，加入稀土元素 Pr可以明顯抑制金屬間化合物層的厚度，而加入 %Pr的試樣 IMC層要比加入 %Pr的試樣 IMC層薄，抑制效果好。 同時(shí)， 分別 縱向比較 3號(hào)試樣隨著時(shí)效時(shí)間的變化 ， IMC均不斷生長(zhǎng)，但厚度明顯少于相同時(shí)效時(shí)間的 1號(hào)試樣的 IMC層厚度。由此看出，在時(shí)效過程中稀土元素可以較好的抑制界面處金屬間化合物層的生長(zhǎng)，最終改善焊點(diǎn)力學(xué)性能，如表 。 在對(duì)圖 (c)可以發(fā)現(xiàn) ， 釬料組織中出現(xiàn)黑色 SnPr金屬間化合物，黑色稀土相的存在會(huì)惡化釬料的性能。因此稀土 Pr添加量為 %的釬料焊點(diǎn)力學(xué)性能相比普通SnAgCu釬料略差。 從稀土元素 Pr與 Sn、 Ag和 Cu的作用傾向來看，其與 Sn的化學(xué)親和力參數(shù)要大于與 Ag、 Cu的化學(xué)親和力 參數(shù)，因而稀土元素 Pr具有 ―親 Sn‖性，容易與 Sn相互作用，生成 SnPr化合物，降低 Pr的活度，從而降低 Sn與其他元素結(jié)合的驅(qū)動(dòng)力，抑制金屬間化合物的生長(zhǎng)。添加少量的稀土元素 Pr容易與 Sn發(fā)生反應(yīng)生成細(xì)小分布的PrSn化合物可以為釬料凝固提供非均勻形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化釬料組織，從而提高焊點(diǎn)力學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 24 性能；當(dāng) Pr的添加量過多時(shí)（超過包晶點(diǎn)成分），容易生成粗大塊狀 PrSn初晶，這種硬脆相的存在會(huì)惡化釬料的性能，如圖 。 (a)SAC 0 小時(shí) (b) 0 小時(shí) (c) 0 小時(shí) (d) SAC 240 小時(shí) (e) 240 小時(shí) (f) 240 小時(shí) (g) SAC 480 小時(shí) (h) 480 小時(shí) (i) 480 小時(shí) 圖 SACxPr/Cu 焊點(diǎn)時(shí)效界面形貌 圖 EDS 成分分析圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 25 圖 EDS 成分分析圖 稀土 Nd 對(duì)界面化合物生長(zhǎng)的影響 稀土元素 Nd對(duì)界面金屬間化合物層的影響與稀土元素 Pr類似，從圖 ，比較相同時(shí)效時(shí)間的 5號(hào)試樣，加入稀土元素 Nd的試樣 IMC層較薄，說明稀土元素 Nd有效抑制了金屬間化合物層的生成。而如果對(duì)比 5好試樣隨著時(shí)效時(shí)間變化，其 IMC層厚度的變化狀況，可以得出 隨著時(shí)效的進(jìn)行， IMC層厚度雖然不斷增加，但總體比 1號(hào)試樣時(shí)效過程中的 IMC層厚度薄，說明稀土元素 Nd可有效抑制界面處金屬間化合物層在時(shí)效過程中的生張。 從圖 (c)可以看出，界面附近具有明顯的塊狀富稀土相，成分分析如圖 。金屬間化合物形成的動(dòng)力由其組元成分的活性決定，對(duì) Cu6Sn5金屬間化合物來說，其吉布斯自由能 ΔG，由焊點(diǎn)中 Sn元素的活性決定： 6 5 6 56 5 Sn SnG ( Cu S n ) = RT [ l n l n ]Cu Cu Sn Cu Sn So lde r?????? (31) 其中， R是通用氣體常數(shù)， T是絕對(duì)溫度， α是 Sn的活性。 Cu6Sn5主要是依靠 Cu原子穿越金屬間化合物，擴(kuò)散至金屬間化合物 /釬料界面，與Sn反應(yīng)得到，故 Cu6Sn5的吉布斯自由能 ΔG主要是由 Cu6Sn5/釬料界面處 Sn元素的活性決定，因此降低 Sn元素的活性 是 抑制界面處 Cu6Sn5生長(zhǎng)的有效手段。由于 SnNd化合物的形成在 Cu6Sn5/焊料界面間的 Sn活性降低，隨后減小了在焊接過程中 Cu6Sn5的增長(zhǎng)。另一個(gè)原因是，高熔點(diǎn)化合物 NdSn3作為形核的中心，促進(jìn)了凝固過程中錫枝晶的形成。因此，銅基基板與液態(tài)焊料反應(yīng)時(shí)間減少，得到了較薄的金屬間化合物層。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 26 (a)SAC 0 小時(shí) (b) 0 小時(shí) (c) 0 小時(shí) (d) SAC 240 小時(shí) (e) 240 小時(shí) (f) 240 小時(shí) (g) SAC 480 小時(shí) (h) 480 小時(shí) (i) 480 小時(shí) 圖 SACxNd/Cu 焊點(diǎn)時(shí)效界面形貌 圖 富稀土相成分分析圖 Cu6Sn5 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 27 第四章釬料 /Cu 焊點(diǎn)內(nèi)部化合物生長(zhǎng) 時(shí)效過程中 Cu6Sn5 化合物顆粒的生長(zhǎng) 如圖 ， βSn枝晶、黑色的共晶組織以及金屬間化合物組成。 其金屬間化合物主要由棒狀 Cu6Sn5初晶以及板狀 Ag3Sn初晶 組成，這種粗大板狀 Ag3Sn初晶的存在會(huì)對(duì)焊點(diǎn)性能產(chǎn)生不良的影響。 從圖 ，在基體中析出的 Cu6Sn5相成塊狀，分布在 βSn枝晶上，邊緣位置較多，而且 Cu6Sn5相對(duì)時(shí)效的進(jìn)行，呈現(xiàn)一種聚集長(zhǎng)大的趨勢(shì)。大小不一的塊狀 Cu6Sn5相聚集在一起，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，彼此不斷融合，形成一個(gè)大塊狀整體。 (a) 0 小時(shí) (b) 120 小時(shí) (c) 240 小 時(shí) (d) 360 小時(shí) (e) 480 小時(shí) 圖 SAC/Cu 焊點(diǎn)中 Cu6Sn5化合物時(shí)效過程中生長(zhǎng)狀況 時(shí)效過程中 Ag3Sn 化合物的生長(zhǎng) 焊點(diǎn) 中的 Ag3Sn相基本不會(huì)隨著時(shí)效的進(jìn)行，產(chǎn)生明顯的變大現(xiàn)象。大部分 Ag3Sn相， 以點(diǎn)狀形式 存在于黑色共晶組織中 。但是在一些特殊情況下， Ag3Sn相會(huì)在界面附近的釬料中異常析出，如圖 （ a） 。同時(shí) ，改異常析出 的板條狀 Ag3Sn會(huì)在時(shí)效過程中，隨著界面的生長(zhǎng)，逐漸脫離界面，并 進(jìn)入釬料基體內(nèi)部 如圖 (b)、 (c)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 28 (a) (b) (c) 圖 SAC/Cu 焊點(diǎn)不同時(shí)效時(shí)間的 Ag3Sn 形貌 (a) 0h, (b) 120h, (c) 240h 稀土 Pr、 Nd 對(duì)化合物生長(zhǎng)的影響 如圖 (b)、 (d)所示， 添加 Pr和 Nd后 的 稀土 Pr的 ，仍由白色的 βSn枝晶和黑色的共晶組織組成，但粗大的初生 Cu6Sn5和 Ag3Sn基本消失。同時(shí)可以觀察到，隨著 Pr、 Nd含量的增加， βSn枝晶逐漸細(xì)化，分形加劇。同時(shí)， 共晶組織的形態(tài)隨著 Pr、 Nd含量的不同發(fā)生了顯著的變化， 含量為 %時(shí) 以球狀共晶為主 ， 大于 %時(shí) 為比例相當(dāng)?shù)膶訝罟簿Ш颓驙罟簿?，同時(shí)層狀共晶的片層間距也發(fā)生了一定的變化，產(chǎn)生這種差異的原因可能是由于稀土元素 Pr、 Nd的存在改變了凝固過程中共晶組織的結(jié)晶行為，共晶組織的形貌也是影響釬料焊點(diǎn)力學(xué)性能的一個(gè)重要因素。 Pr或 Nd的添加量為 %時(shí)，釬料組織中出現(xiàn)黑色 SnX（ Pr、 Nd）金屬間化合物 ， 組織也發(fā)生了一定程度的粗化，黑色稀土相的存在會(huì)惡化釬料的性能。 如圖 ，在時(shí)效過程中，稀土元素 Pr、 Nd可以抑制銅錫化合物的長(zhǎng)大，雖然聚集長(zhǎng)大趨勢(shì)不變，但塊狀體略微變小。而如圖 ，時(shí)效過程中，稀土元素 Pr、 Nd也消除了界面處析出的板條狀銀錫化合物。 從稀土元素 Pr、 Nd與 Sn、 Ag和 Cu的作用傾向來看，其與 Sn的化學(xué)親和力參數(shù)要大于與 Ag、 Cu的化學(xué)親和力參數(shù)，因而稀土元素具 有 ―親 Sn‖性，容易與 Sn相互作用，生成 SnX（ Pr、 Nd） 化合物，降低 Pr的活度，從而降低 Sn與其他元素結(jié)合的驅(qū)動(dòng)力，抑制金屬間化合物的生長(zhǎng)。添加少量的稀土元素容易與 Sn發(fā)生反應(yīng)生成細(xì)小分布的 稀土相化合物可以為釬料凝固提供非均勻形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化釬料組織，從而提高焊點(diǎn)力學(xué)性能；當(dāng) 稀土元素 的添加量過多時(shí)（超過包晶點(diǎn)成分），容易生成粗大塊狀 SnX（ Pr、 Nd） 初晶，這種硬脆相的存在會(huì)惡化釬料的性能。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 29 (a)SAC (b) (c) (d) (e) 圖 0 小時(shí)時(shí)效下焊點(diǎn)組織形貌 (a) SAC (b) (c) 圖 360 小時(shí)時(shí)效條件下，焊點(diǎn)化合物 銅錫相 生長(zhǎng)形貌 (a)SAC (b) (c) 圖 360 小時(shí)時(shí)效條件下，焊點(diǎn)化合物銀錫相生長(zhǎng)形貌 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 30 第五章結(jié)論 時(shí)效后微焊點(diǎn)力學(xué)性能變化 添加微量稀土元素 Pr或 Nd，均可提高焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度。時(shí)效過程中，焊點(diǎn)剪切力逐漸降低，但加入 Pr或 Nd后，可抑制焊點(diǎn)剪切力的下降幅度。 時(shí)效過程中界面化合物的生長(zhǎng) 在時(shí)效過程中，界面化合物層不斷生長(zhǎng)，開始時(shí)，伴有較大的板條狀 Ag3Sn相，隨著時(shí)效的進(jìn)行，板條體逐漸脫離 界面處的金屬化合物層 。 稀土 Pr、 Nd 對(duì)界面化合物生長(zhǎng)的影響 稀土元素 Pr、 Nd的添加， 可以抑制界面化合物的生長(zhǎng)，細(xì)化界面附近的基體組織。但當(dāng)含量達(dá)到 %時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的塊狀富稀土相，影響焊點(diǎn)的性能。 時(shí)效過程中 Cu6Sn5 化合物顆粒的生長(zhǎng) Cu6Sn5化合物顆粒在時(shí)效過程中是聚集長(zhǎng)大，融合成更大的塊狀整體。 時(shí)效過程中 Ag3Sn 化合物的生長(zhǎng) Ag3Sn化合物在時(shí)效過程中基本不生長(zhǎng)，僅在開始時(shí)在界面處析出板條狀 Ag3Sn。 稀土 Pr、 Nd 對(duì)化合物生長(zhǎng)的影響 稀土元素 Pr、 Nd對(duì)化合物的生長(zhǎng)具有抑制作用，適量的稀土元素還可以細(xì)化組織，提高性能，但過量的稀土元素會(huì)粗化組織，生成富稀 土相，大大降低材料的性能。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 31 參考文獻(xiàn) [1] 中國(guó)電子學(xué)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會(huì)叢書編委會(huì)組編 .微電子封裝技術(shù) [M].合肥 :中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 ,2022. 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