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
共晶SnPb与钯箔的反应过程
【摘要】：而在润湿尖端形成的金属间化合物并没有充当该润湿反应的扩散阻碍层。图7.12和所示为PdSn3层及它与钯界面处的SEM照片。这层物质具有层状结构，其中较亮的相是PdSn3，而PdSn3间的暗区是已被蚀刻掉的焊料。在250℃及以上的锡铅共晶焊料和钯的反应中，PdSn3是反应所形成的第一个相。热力学计算表明锡铅共晶焊料与钯在低于245℃的润湿反应中会产生PdSn4，如图7.13所示，在245~303℃时会形成PdSn3，而在303℃以上时第一反应产物就可能为PdSn2。
在焊接反应中，钯的特殊性在于具有抗氧化性强、易与焊料润湿并形成钯-锡金属间化合物等特点[33-41]。它经常与镍一起使用，以使其表面钝化，并增强镍的表面润湿性。熔融共晶锡铅焊料与钯金属箔间的润湿反应与在铜和镍表面上的润湿反应不同，在铜与镍上的润湿角稳定存在，而前者则是焊料和钯之间没有稳定的润湿角。在该过程中，钯上熔融态的焊料不断进行铺展，直到所有焊料帽中的锡被完全转化为钯-锡化合物。造成润湿尖端不稳定性的原因是在熔融焊料和钯之间的金属间化合物的形成过程极其迅速。金属间化合物的形成过程所带来的自由能增量为润湿尖端的运动提供了驱动力。而在润湿尖端形成的金属间化合物并没有充当该润湿反应的扩散阻碍层。熔融态的焊料尖端能够不断向前推进，并润湿位于其前方的金属钯。因此，研究润湿尖端的金属间化合物的形貌便具有现实意义，而这其中一定要具有允许熔融焊料通过的扩散沟道。
为进一步确认该超快反应，我们将厚度为0.5 mm、宽度为0.5 cm的纯钯箔条卷成直径为3 mm的圆环，并把共晶锡铅焊丝插入每个圆环当中。然后，在250℃下将它们浸入焊剂中1~20 min。随后，对圆环截面进行抛光、蚀刻，并用光学显微镜、扫描电镜和能量色散X射线能谱进行检测。在钯和焊料之间可观察到圆环截面上生成了一层非常厚的PdSn3化合物。图7.11（a）和（b）所示为润湿反应分别进行2 min和5 min后样品上形成的较厚PdSn3层（箭头所指）的光学显微镜照片，其厚度分别为170μm与360μm。该时间段内的金属间化合物生长随时间变化呈线性关系，其速率超过1μm/s，这样快的生长速率超乎寻常，有可能是文献报告中记录的最快的金属间化合物生长速率。图7.12（a）和（b）所示为PdSn3层及它与钯界面处的SEM照片。这层物质具有层状结构，其中较亮的相是PdSn3，而PdSn3间的暗区是已被蚀刻掉的焊料。这种层状结构的独特之处在于熔融焊料在反应过程中能始终与未反应的钯相接触，而这些由熔融焊料所形成的沟道便充当了快速扩散的路径，从而实现了非常快的反应速率。熔融焊料中的扩散率约为10-5 cm2/s，这对于测量线性增长率来说已经足够了。但是当反应超过5min，我们发现当厚度大于500μm后，金属间化合物的生长速率逐渐减慢。这是我们意料之中的情况，因为即使扩散率高达10-5 cm2/s，但该生长也会最终变为扩散过程控制型生长。
Pd-Sn和Pd-Pb二元相图表明：Pd与Sn、Pb均可形成多种化合物，如Pd2 Sn和PdPb2。然而，在250℃的润湿反应中此三者形成的唯一一种化合物为PdSn3。而在260℃环境下也会有相同的结果。在钯锡化合物中，PdSn3的熔点非常低，约345℃，这远低于Pd2 Sn和Pd3 Sn的熔点（约1 300℃）。如果自由能改变量最大化是反应进行的标准，那么反应后就应该已经形成了上述富含钯的化合物。然而，PdSn3的形貌使它在反应中具有很高的生长速率或很高的自由能增益率，因此PdSn3的形成速率更快，并成为首先形成的相。
图7.11 润湿反应进行一段时间后较厚PdSn3层的光学显微镜照片
（a）2 min；（b）5 min
图7.12 扫描电镜照片
在锡铅钯三元体系中，第一个相的形成对温度具有很强的依赖性。在250℃及以上的锡铅共晶焊料和钯的反应中，PdSn3是反应所形成的第一个相。但是在小于220℃的环境时，Ghosh则发现首先形成的相是PdSn4，该发现与分别在250℃和220℃环境下的锡铅钯三元相图所示结果一致，如图7.13（c）和（b）所示。通过使用Ghosh优化的一组热力学数据，我们可通过计算来绘制出这些相图。虽然在这些相图中存在许多种化合物，但是在润湿反应中仅能检测到一种或两种锡的化合物（PdSn4和PdSn3），而最终检测出的化合物种类取决于反应的温度和时间。热力学计算表明锡铅共晶焊料与钯在低于245℃的润湿反应中会产生PdSn4，如图7.13（d）所示，在245~303℃时会形成PdSn3，而在303℃以上时第一反应产物就可能为PdSn2。
相比之下，锡铅共晶焊料和钯间的固态反应要慢得多。在220℃下反应50 s后，相同的试样在125℃下老化了30天。除了较厚（130μm）的PdSn4层外，还存在50μm厚的PdSn3层和40μm厚的铅层。这些相的形成过程与计算所得的相图一致，如图7.13（a）所示。然而，在125℃下老化30天后所形成的化合物厚度与在220℃下几分钟内形成的化合物厚度相当。
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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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2023-06-24
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