在这里将对温度超过200℃时熔融共晶SnPb和Cu之间的润湿反应与温度低于100℃时的相同体系的固态反应进行对比[15-17]。因此，还需要研究共晶SnPb和Cu之间在120~170℃温度范围内持续1 000 h的固态反应。图2.22所示为150℃老化3 d后，共晶SnPb焊料与Cu箔界面处的横截面聚焦离子束照片。当样品中Cu的量远高于Sn时，更倾向于生成Cu3 Sn而不是Cu6 Sn5，例如在9.6.1节中介绍的薄的SnPb共晶焊料在厚的Cu柱凸点上的情况。......
2023-06-20
SnPb共晶焊料与Cu箔的润湿反应
【摘要】：实验借助弱活性松香助焊剂，将SnPb共晶合金小球在Cu箔上熔化，从而制备得到SnPb共晶焊料在Cu上润湿的试样。熔融SnPb共晶焊料在Cu上的润湿角稳定在11°。SnPb共晶合金在Cu箔上的一个相当特殊的润湿行为就是围绕着球冠状焊料帽的前沿、在Cu箔表面润湿带或润湿环的形成。图2.6所示为SnPb共晶焊料在Cu箔表面上铺展时润湿环的SEM照片。图2.6SnPb在Cu上铺展时润湿环的SEM照片30 s；1 min；5 min；10 min图2.7200℃下润湿环的生长速率
实验借助弱活性松香助焊剂（RMA），将SnPb共晶合金小球（质量组分为63Sn37Pb）在Cu箔上熔化，从而制备得到SnPb共晶焊料在Cu上润湿的试样。直径0.5 mm的焊料小球制备过程如下：从一卷商业钎料焊丝上切下约2 mg的焊料小块，再将其放入一个含有RMA的圆盘中，并将该圆盘放置于加热板上并保持200℃，焊料块融化并在表面张力的作用下形成焊料小球[3]。把圆盘从加热板上移开，使其冷却至室温，我们就可以得到留存在助焊剂上的固态焊料小球。其次，对面积为1 cm×1 cm、厚度为0.5 mm的Cu箔进行抛光和清洗，并将其充分浸润在200℃±3℃的助焊剂中。将一个焊料小球放到Cu箔上，小球熔化并在Cu箔表面铺展形成球冠状，如图2.1所示。在加热板上经0.5~40 min不同的保温时间后，将球冠状焊料小球试样冷却至室温。为了研究球冠状焊料与Cu间界面处金属间化合物的形成，将试样纵向剖开，并进行表面抛光和轻微腐蚀，再在SEM下进行观测，如图2.2所示。通过试样的侧视图，可测量润湿角随润湿时间变化的函数关系，其曲线如图2.3所示。熔融SnPb共晶焊料在Cu上的润湿角稳定在11°。由图2.3可知，纯Sn在Cu上的润湿角与SnBi在Cu上的润湿角相近，均比SnPb焊料在Cu上的润湿角大得多[4，5]。
图2.1 在Cu表面熔化并铺展成球冠状的焊料小球
图2.2 Cu箔上球冠状焊料试样纵向截面示意以及SnPb焊料与Cu箔界面处金属间化合物的SEM形貌
（a）焊料试样纵向截面示意；（b）金属间化合物的SEM照片
图2.3 润湿角随润湿时间变化的函数关系曲线
为了观察界面处金属间化合物的三维形貌，需要对试样进行有选择性的深腐蚀，即腐蚀掉界面金属间化合物上面的Pb和Sn，但不能腐蚀界面金属间化合物。在一定倾角下观察到的金属间化合物的SEM照片揭示了界面金属间化合物的三维笋钉状形貌，如图2.4（a）和2.4（b）所示。图2.4（a）和2.4（b）分别所示为选择性腐蚀前后相同位置处的金属间化合物笋钉状形貌，可从中观察到两张照片中金属间化合物具有相同的轮廓。图2.5为200℃下润湿不同时间所得到的一系列笋钉状金属间化合物的SEM照片，它们都是在同一放大倍数下拍摄的。从图2.5中可观察到笋钉状金属间化合物的平均尺寸随润湿时间而增大。由于笋钉状金属间化合物彼此十分接近，故该生长过程是“吞食”反应，即大尺寸金属间化合物吞并与其相邻的、小尺寸的金属间化合物从而不断生长，换句话说，这是一个熟化反应。但是这个熟化过程是不可逆的，这是由于随着时间增加，伴随着Cu箔上的Cu与熔融焊料中的Sn不断发生Cu-Sn化学反应使金属间化合物不断生长，界面处笋钉状金属间化合物的总体积也随时间增加而增大。这种不可逆的熟化反应动力学分析将在第5章中详细介绍。
图2.4 相同位置处腐蚀前后的笋钉状金属间化合物照片
（a）腐蚀前；（b）腐蚀后
图2.5 笋钉状金属间化合物随润湿时间变化的一系列SEM照片
（a）10 s；（b）1 min；（c）10 min；（d）40 min
由于一个电子器件的制造要经历多次润湿，所以实际电子器件中焊料接头在整个制造过程中所经历润湿反应的总时间累计起来可能达到几分钟。因此，润湿反应长达40 min的实验研究只具有理论研究意义。在持续时间较长的润湿反应中，可发现笋钉状金属间化合物伸长了，也就是说，它们的高度远大于直径。在焊料接头的纵向截面上经常可以观察到一些长而中空的Cu6 Sn5管。它们的形成并不是因为界面反应，而是因为熔融焊料中过饱和的Cu的沉积作用，特别是当焊料凸点小球的表面早于Cu-Sn界面凝固时，这一现象更为明显。这些中空的Cu6 Sn5管形核于焊料凸点小球表面，而不是其凸点界面处。
关于笋钉状金属间化合物形貌、生长动力学及与Cu之间晶体学取向关系将会在第5章中详细讨论。
SnPb共晶合金在Cu箔上的一个相当特殊的润湿行为就是围绕着球冠状焊料帽的前沿、在Cu箔表面润湿带或润湿环的形成。在润湿过程中，当润湿发生几分钟后球冠状焊料帽的直径就稳定了，而润湿环的直径却会随着润湿时间的增加而生长并扩大。图2.6所示为SnPb共晶焊料在Cu箔表面上铺展时润湿环的SEM照片。图2.7所示为200℃下润湿环的生长速率。尽管球冠状焊料帽的直径在润湿环形成初期是稳定的，但是润湿环可能会改变焊料帽润湿前沿的平衡情况。我们可以观察到润湿环生长几分钟后，焊料帽会变得不稳定，并快速地铺展开来以覆盖润湿环的整个区域。
图2.6 SnPb在Cu上铺展时润湿环的SEM照片
（a）30 s；（b）1 min；（c）5 min；（d）10 min
图2.7 200℃下润湿环的生长速率
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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