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]。由于在封装制造中需要多次润湿，因此焊料处于熔融状态的时间有几分钟。所以，需要研究200℃时反应时间为0.5~10 min的润湿反应。在150℃持续1 000 h的固态反应是一项必要的可靠性测试。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。另一项可靠性测试是-40~125℃温度间进行的几千次热循环。我们注意到，尽管润湿反应和固态反应时的温度差异很小，可能只有30℃，反应时间却相差了4个数量级。不过，更加需要强调的是这两类反应中金属间化合物的形貌和反应动力学上的巨大差别。这表现在：尽管润湿反应和固态老化温度仅相差30℃，但润湿反应的速率比固态老化的速率快了4个数量级。另外，润湿反应中生成的Cu6Sn5有笋钉状形貌，而在固态老化中它变成了层状形貌。
为了解释这种差异存在的原因，我们回顾一下2.5.1节中Sn-Pb-Cu在170℃和200℃三元相图的热力学计算。从中我们可得出结论：热力学相图无法解释这种差异，而形貌才强烈地影响了动力学过程。由于其特殊的形貌，润湿反应是一个高速率的反应，且控制反应的是自由能变化的速率，而非自由能变化量[18，19]。
在固态老化过程中会生长出一层更厚的Cu3 Sn，伴随着Cu3 Sn的生成，在层间尤其是Cu3 Sn和Cu的界面处还会生成大量的柯肯达尔孔洞。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。在Cu3 Sn层中可观察到很多柯肯达尔孔洞，在共晶无铅焊料和Cu箔的老化界面中也观察到相似孔洞的生成。这是因为Cu是反应中的主扩散元素，这已被标记运动实验证明，在3.2.3节将介绍该实验。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。1个Cu6 Sn5分子转变成2个Cu3 Sn分子后将剩下3个Sn原子，这3个Sn原子又会吸引9个Cu原子形成额外的3个Cu3 Sn分子。传输Cu原子的空位通量在Cu和Cu3 Sn界面上积累，最终形成柯肯达尔孔洞。在电子器件使用过程中不希望生成这种孔洞，所以限制Cu3 Sn的生长是很受关注的互连可靠性课题。Cu3 Sn的生长不仅取决于时间、温度、杂质以及样品中Cu/Sn比值等因素，还受如电迁移等外力的影响。
图2.22 150℃下老化3 d后在SnPb共晶焊料与Cu箔界面处的横截面聚焦离子束照片（由德州仪器的Kejun Zeng博士提供）
有关电子软钎焊连接技术 材料、性能及可靠性的文章
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......
2023-06-20
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2023-06-20
为了研究SnPb焊料在Cu上的润湿反应与焊料成分的关系，试验准备了7种SnPb焊料合金，分别是纯Pb、5Sn95Pb、10Sn90Pb、40Sn60Pb、63Sn37Pb、80Sn20Pb以及纯Sn，这7种焊料合金的熔点分别为327℃、305℃、299℃、245℃、183℃、205℃以及232℃[8-9]。这个矛盾表明，如果只考虑界面张力的平衡，就不能解释测量得到的SnPb合金润湿角随焊料合金成分变化的关系。由图2.18可知，纯Sn的金属间化合物平均厚度是SnPb焊料中最大的，但从图2.17中可知，纯Sn的界面张力同样是最大的。......
2023-06-20
在横截面的SEM照片中，可观察到几个非常大的AuSn4晶粒已分散在焊球中。在冷却期间，AuSn4会在焊料中均匀析出。然而在高温下经过几个小时的固态老化后，老化前分散在球栅阵列焊料接头中的一些AuSn4晶粒在焊料/Ni3Sn4界面处再次沉积为连续的一层。老化后的接头强度明显低于老化前的接头强度，且老化后的接头会沿着AuSn4层和Ni3Sn4层界面发生脆性断裂并失效。为了防止再沉积问题发生，可在焊料中添加1%的镍颗粒以保持AuSn4在焊料中的均匀分布。......
2023-06-20
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2023-06-20
金箔上共晶锡铅焊料帽在200℃的润湿反应中，润湿角不稳定，且随时间推移而逐渐减小，但这与在钯表面上的润湿角现象不同。图7.15200℃下共晶锡铅焊料帽在金箔上的SEM横截面照片5 s；60 s我们还可以提出这样一个问题：金在熔融共晶锡铅焊料中的高溶解度是如何影响金属间化合物的形成过程的。......
2023-06-20
在深共晶成分附近，化学镀镍（磷）在刚完成镀覆状态时通常为非晶状态，且具有较低的内应力。图7.6由X射线面式扫描所得的跨界面区域的元素分布图锡；镍；铅；磷图7.7150℃环境下反应500 h后锡铅共晶焊料与化学镀镍（磷）间界面的SEM横截面照片虽然由于化学镀镍（磷）层足够厚而不会发生金属间化合物的剥落现象，但是它与介电保护材料硅的氧氮化物之间的界面强度较弱。......
2023-06-20
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2023-06-20
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