焊料组分对Cu6Sn5形貌的影响分析

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：图5.9所示为不同组分的SnPb焊料与Cu反应后形成的金属间化合物形貌。表5.1总结了观测到的Cu6 Sn5金属间化合物形貌。这种现象在60Sn40Pb焊料中也会发生。80Sn20Pb、50Sn50Pb、30Sn70Pb和63Sn37Pb（共晶）焊料与Cu在共晶温度之上0.5℃发生反应，温度控制误差为±1℃。因此，当SnPb焊料组分是共晶成分时，Cu6 Sn5的真实形貌应为光滑的圆形形貌。C.Y.Liu研究了SnPb焊料组分对熔融SnPb焊料在Cu上润湿角的影响，研究发现当焊料中Pb含量略高于共晶组分时，其对应的润湿角最小[20]。

图5.9所示为不同组分的SnPb焊料与Cu反应后形成的金属间化合物形貌。表5.1总结了观测到的Cu6 Sn5金属间化合物形貌。当SnPb焊料中Pb的质量分数高于70%时，整个试样中可观察到多面体形的笋钉状金属间化合物，其中伴有部分圆形笋钉状金属间化合物；而当焊料中Pb的质量分数介于60%与共晶成分（34%）之间时，只观察到圆形笋钉状金属间化合物；当Pb含量进一步降至30%以下时，再次观察到多面体形笋钉状金属间化合物，并伴有少量圆形笋钉状金属间化合物；最后，当焊料为纯Sn时，只观察到多面体形金属间化合物。

对于SnPb共晶焊料，一些样品中仅含有圆形笋钉状金属间化合物，而另一些样品可在焊料帽中心处观察到成簇的多面体形笋钉状金属间化合物。这种现象在60Sn40Pb焊料中也会发生。极端情况下，当从大块焊料（重约3 g）上取下一小片焊料（0.5 mg）时，大块焊料的少量不均匀性甚至会导致小片焊料的质量分数与预期值相比出现1%~2%的偏离。由于共晶SnPb焊料帽在Cu箔上的润湿角为11°，因此焊料帽边缘处覆盖金属间化合物的焊料厚度要薄得多。焊料帽边缘处金属间化合物的生长会消耗熔融焊料中的Sn，使该处的Pb含量增大。这种效应可能会影响整个焊料帽中从中心到边缘处金属间化合物形貌的变化。

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图5.9　Cu与不同组分焊料发生润湿反应所形成的Cu6 Sn5金属间化合物形貌

（a）20Sn80Pb；（b）30Sn70Pb；（c）40Sn60Pb；（d）50Sn50Pb；（e）70Sn30Pb；（f）80Sn20Pb；（g）90Sn10Pb；（h）纯Sn

表5.1　观察到的Cu6Sn5金属间化合物形貌的总结

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为了准确确定SnPb共晶焊料的金属间化合物形貌，对不同组分的焊料在共晶温度附近进行融化，以控制焊料的液相组分。80Sn20Pb、50Sn50Pb、30Sn70Pb和63Sn37Pb（共晶）焊料与Cu在共晶温度（183.5℃）之上0.5℃发生反应，温度控制误差为±1℃。当焊料发生部分溶解时，其液相的成分非常接近共晶成分。如图5.10中所示，无论焊料成分是多少，金属间化合物总为圆形笋钉状形貌。因此，当SnPb焊料组分是共晶成分时，Cu6 Sn5的真实形貌应为光滑的圆形形貌。

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图5.10　不同组分的焊料在共晶温度（183.5℃）之上0.5℃与Cu发生润湿反应所形成Cu6 Sn5金属间化合物的形貌

（a）80Sn20Pb；（b）63Sn37Pb；（c）50Sn50Pb；（d）30Sn70Pb

形成多面体形或圆形固液界面的经典理论的基本思想是：若界面为多面体形，则固相表面的吸附原子在到达下一个原子层前倾向于首先填满几乎所有的现有表面位置，从而形成伴有少量扭结区的原子级平整界面[18-19]；若晶体的表面为圆形，则其表面在原子级别上或多或少是粗糙的，且会存在大量的扭结区。所以为了得到圆形笋钉状金属间化合物，它们的表面应具有许多原子台阶和扭结。由于台阶和扭结有很多断键，当断键能量低时，笋钉状金属间化合物在表面处拥有更多的台阶和扭结。金属间化合物/焊料界面的界面能低时，断键能量较低。而金属间化合物/焊料界面的界面能可以通过焊料与Cu之间的润湿角来大致估计。

当焊料润湿Cu时，Cu表面被金属间化合物/焊料的界面所取代，因此当焊料/Cu的润湿角较小时，金属间化合物/焊料界面的界面能相对较低，原因在于熔融的焊料倾向于铺展开以增加金属间化合物/焊料界面的面积。C.Y.Liu研究了SnPb焊料组分对熔融SnPb焊料在Cu上润湿角的影响，研究发现当焊料中Pb含量略高于共晶组分时（即含有质量分数约为55%的Pb），其对应的润湿角最小[20]。这与表5.1中的数据一致，即笋钉状金属间化合物在共晶组分附近会呈现圆形形貌。

焊料组分对Cu6Sn5形貌的影响分析

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