在SnPb共晶焊料与Ni间的润湿反应中，以及在大多数Sn基无铅焊料与Cu之间的润湿反应中，也可观察到笋钉状金属间化合物形貌。在图2.23、和所示的固态老化金属间化合物的形貌中，由于试样在老化前经过了两次润湿，故老化前Cu6Sn5一定具有笋钉状形貌。目前已发现笋钉状形貌在润湿反应中稳定存在，但在固态反应中不稳定。......
2023-06-20
V形凹槽表面薄膜涂层的尖端润湿反应优化探究
【摘要】：第一种是在Pd和Au上的熔融SnPb的润湿。为了研究金属间化合物的形成对反应性润湿尖端的影响，我们必须研究润湿反应的早期阶段。图3.25和所示分别为V形槽的横截面示意和相应的TEM图像。如图3.26上部的SEM图像所示，进入的长度显示了熔融焊料中Sn浓度与焊料在Cu上的润湿角的直接对应关系。图3.25V形凹槽横截面示意及相应的TEM图像V形槽的横截面示意；相应的TEM图像图3.26熔融纯Pb和含有1%~5%Sn的熔融Pb合金流入V形槽的情况
平衡润湿尖端的经典杨氏方程是通过使所涉及的总表面和界面能最小化推导得到的，但不包括界面金属间化合物的形成自由能。润湿角是通过润湿尖端的表面和界面能之间的平衡条件来定义的。假设润湿端（或润湿盖）形态可以瞬间实现，如果界面金属间化合物的形成速率比金属表面上的熔融焊料滴的铺展速率慢得多，那么金属间化合物的形成自由能就可以忽略。
图3.24 A l/Ni（V）/Cu薄膜上共晶SnAgCu焊料在260℃下退火5、10和20 m in后的SEM背散射图像
（a）5 min；（b）10 min；（c）20 min
此处列举出了焊料反应中润湿尖端不稳定的两种现象。第一种是在Pd和Au上的熔融SnPb的润湿。这种润湿没有稳定的润湿角，详细内容会在第7章给出。对于Pd上的共晶SnPb而言，尖端不断地在Pd表面上前进直到焊料被完全消耗[17]；对于Au上的95Pb5Sn焊料，熔融焊料具有下陷在Au里的凹陷界面，且这个界面会随着时间加深[18]。在这两种情况下，润湿角和尖端形状都是随时间变化的，对于SnPb/Pd来说，这是因为形成金属间化合物的反应速度很快；而对于SnPb/Au而言，这则是因为Au能够快速溶解到熔融焊料中。
第二种则与Cu上熔融共晶SnPb焊帽的润湿有关。虽然存在稳定的润湿角，但是从其生长晕轮的意义上来说，尖端是不稳定的。由于在晕环下方会形成非常薄的金属间化合物层，晕轮将不断向前扩散。在Ni上的共晶SnPb的熔融尖端前也能发现这样的晕轮。
为了研究金属间化合物的形成对反应性润湿尖端的影响，我们必须研究润湿反应的早期阶段。利用蚀刻在Si片表面的涂敷有薄膜涂层的V形槽可以做到这一点，在Si晶片的（0 0 1）晶面上沿着[1 1 0]方向蚀刻出V形沟槽，并且涂覆上一层Cu/Cr双层膜。图3.25（a）和（b）所示分别为V形槽的横截面示意和相应的TEM图像。熔融纯Pb不会进入V形槽，而仅含有1%~5%Sn的熔融Pb（Sn）合金可在水平毛细管驱动力作用下流入其中，如图3.26的下半部分所示。熔融焊料中含有的Sn越多，进入的长度越长（或进入速度越快）。如图3.26上部的SEM图像所示，进入的长度显示了熔融焊料中Sn浓度与焊料在Cu上的润湿角的直接对应关系。纯Pb不润湿Cu，而Pb（Sn）合金润湿Cu，并且润湿角随着Pb中的Sn含量的增加而减小[19，20]。由于加入少量的Sn不会改变熔融焊料的表面能[21]，因此根据杨氏方程可知润湿角不会变化。因此，产生该变化的原因是形成金属间化合物过程中的Cu-Sn界面反应。如何计算润湿角的变化并且获得润湿速率随焊料组分变化的函数关系是具有挑战性的任务。润湿速率由Washburn方程给出，且可使用CCD相机测量[22]。知道速率，就可以估计出在润湿反应早期的金属间化合物形成速率。然而，由于熔化的焊料需要沿着V形槽行进，V形槽通常要保持在略高于焊料熔点的温度。这就需要一些时间将其冷却至室温来测量金属间化合物的形成量。然而，在冷却这段时间内，在润湿尖端会有大量的金属间化合物形成。而因为冷却时间比瞬时润湿的时间要长得多，因此我们不能使用测量得到的金属间化合物量来估计在润湿反应初期形成的金属间化合物量。然而，在室温下熔融焊料难以在水平V形槽中流动。另外，如果将一个拥有涂覆V形槽的Si片在室温下垂直浸入熔融焊料池中，并且允许熔融焊料沿着V形槽上升，那么这个测量就可以实现了；该Si片接触了熔融焊料池后，应该被迅速地从熔池中移走。
图3.25 V形凹槽横截面示意及相应的TEM图像（由香港科技大学王宁教授提供）
（a）V形槽的横截面示意；（b）相应的TEM图像
图3.26 熔融纯Pb和含有1%~5%（质量分数）Sn的熔融Pb（Sn）合金流入V形槽的情况
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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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