微量釹對Sn-6.5Zn/銅焊點(diǎn)界面組織與性能的影響

趙國際

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，重慶401120）

0 引 言

隨著釬料無鉛化進(jìn)程的深入和電子封裝技術(shù)的發(fā)展，高性能無鉛釬料的開發(fā)與應(yīng)用已成為提高微連接可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。由于錫鋅合金的共晶溫度（198.5℃）接近傳統(tǒng)錫鉛合金的共晶溫度（183℃），且材料成本低、焊接接頭（焊點(diǎn)）力學(xué)性能優(yōu)良，被認(rèn)為是一種可替代傳統(tǒng)錫鉛釬料的合金［2-3］。但鋅性質(zhì)活潑，導(dǎo)致錫鋅合金的鋪展性與抗氧化性能較差，使錫鋅合金的應(yīng)用受到一定限制。目前，關(guān)于錫鋅二元合金的研究主要集中在Sn-9Zn合金上［3］，而 Wei［4］和 Mahmudi［5］的研究則認(rèn)為亞共晶Sn-6.5Zn合金具有更好的鋪展性和結(jié)合性能，具有一定的應(yīng)用前景。

在錫鋅二元合金中添加一定種類和數(shù)量的合金化元素是改善釬料性能的主要方式［1-3］，而釬焊時(shí)界面反應(yīng)過程中金屬間化合物（IMC）的形成及其特征對焊點(diǎn)結(jié)合性能起著至關(guān)重要的作用。目前，關(guān)于微量稀土（RE）添加對亞共晶Sn-6.5Zn合金/銅焊點(diǎn)界面IMC特性影響的研究尚未見報(bào)道。為此，作者研究了微量釹對Sn-6.5Zn/銅焊點(diǎn)界面IMC特性及焊點(diǎn)剪切性能的影響，為新型錫鋅系合金的研發(fā)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用Sn-6.5Zn-xNd（x＝0，0.1，0.5）合金釬料用純度不小于99.9%的純錫、純鋅、純釹按照所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)配料，并考慮鋅燒損，在ZG-001型真空爐中進(jìn)行兩次熔煉后在鋼模中澆鑄而成。

取0.2g的Sn-6.5Zn-xNd釬料合金置于厚度為0.2mm的T2銅基板中央，利用市售松香焊錫膏作為釬劑覆蓋釬料，在SX-12型箱式電爐中形成鋪展焊點(diǎn)后（溫度255℃，時(shí)間40s），利用體積分?jǐn)?shù)為13%HNO3溶液溶解銅基板上多余的釬料，然后用無水乙醇沖洗并吹干，用TESCAN VegaⅡLMU型掃描電子顯微鏡（SEM）對Sn-6.5Zn-xNd合金/銅焊點(diǎn)界面的IMC層形貌進(jìn)行觀察；并利用配套的OXFORD ISIS300型能譜分析儀（EDS）進(jìn)行特征位置成分分析。圖1所示為焊點(diǎn)界面IMC形貌觀察試樣制備示意圖。

焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)依照GB/T 11363-2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中剪切試驗(yàn)進(jìn)行，接頭試樣如圖2所示，Sn-6.5Zn-xNd合金釬料在軋輥機(jī)上軋制成0.1mm厚的薄帶，并以板厚為3.8mm的T3純銅為基材，松香焊錫膏作釬劑，釬焊溫度255℃，時(shí)間4min。利用ANS型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對接頭進(jìn)行拉伸-剪切試驗(yàn)，加載速度為0.5mm·min-1，每種試樣取3次平均值。并對斷口進(jìn)行SEM形貌觀察和EDS成分分析。

圖2 焊點(diǎn)接頭試樣尺寸Fig.2 Dimension of a tensile-shear joint

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 界面微觀形貌

釬料/基板焊點(diǎn)界面結(jié)構(gòu)及IMC特性會直接影響連接的可靠性。由于基材與IMC層間熱膨脹系數(shù)差異顯著，會導(dǎo)致連接界面發(fā)生開裂［6］。液態(tài)錫鋅合金與銅基板接觸時(shí)會在界面處至少形成兩層IMC，即在靠近銅基板側(cè)形成一層厚度極小的CuZn層，而在靠近液態(tài)釬料側(cè)形成Cu5Zn8層［4-7］。此外，在釬焊過程中，基板中的銅原子會穿越界面上IMC層向釬料的擴(kuò)散，并在局部區(qū)域與釬料中的鋅原子結(jié)合形成顆粒狀Cu5Zn8相［6］。

Sn-6.5Zn/銅鋪展焊點(diǎn)界面SEM形貌如圖3所示，特征位置EDS分析結(jié)果見表1。

圖3 Sn-6.5Zn/銅焊點(diǎn)界面SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the interface of the Sn-6.5Zn/Cu soldered joint

表1 特征位置EDS分析結(jié)果（原子分?jǐn)?shù)）Tab.1 Composition of characteristic positions measured by EDS（atom） %

依據(jù)界面特征位置EDS分析結(jié)果并結(jié)合相關(guān)研究［3-7］，可以判定顆粒狀I(lǐng)MC為Cu5Zn8（圖3中A與B處），呈板狀分布于銅基板上的IMC主要為CuZn（圖3中C處）。液態(tài)釬料與基板接觸即會發(fā)生界面反應(yīng)，形成的CuZn會與釬料中的鋅繼續(xù)反應(yīng)形成Cu5Zn8［6］；試驗(yàn)溫度條件下，Sn-6.5Zn釬料和基板反應(yīng)不夠充分和均勻，導(dǎo)致形成與生長的Cu5Zn8尺寸較大且分布的致密性與均勻程度均較差，位向由基板指向釬料。

由鋅錫二元合金相圖可知，Sn-6.5Zn合金組織為初生β-Sn相與共晶組織；研究表明［8-9］，稀土元素在錫鋅合金中的微量添加通常能夠起到細(xì)化晶粒、改善潤濕性能及焊點(diǎn)力學(xué)性能的作用。

由圖4可知，添加微量釹元素后，釬料/銅焊點(diǎn)界面形成了細(xì)密的圓丘狀I(lǐng)MC，而Sn-6.5Zn/銅焊點(diǎn)界面的IMC較粗大（見圖3），可見微量釹元素在Sn-6.5Zn合金中的添加能夠顯著細(xì)化界面IMC的尺寸。這是因?yàn)镾n-6.5Zn中添加微量釹元素后，釬料與銅基板間的界面反應(yīng)更充分且均勻，有利于避免界面處過大尺寸Cu5Zn8相的形成。從圖4中可見，釹添加量分別為0.5%，0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的兩組焊點(diǎn)其界面IMC尺寸及分布沒有明顯差異，說明釹添加量對其影響不大。

圖4 Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點(diǎn)界面IMC的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of IMC in the interface of Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints

從圖5可見，在Sn-6.5Zn合金中添加微量釹（0.1%）能夠顯著改善釬料/銅基板的結(jié)合性能，而添加量較多時(shí)（0.5%）則會導(dǎo)致結(jié)合性能下降。

圖5 Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點(diǎn)拉伸-剪切強(qiáng)度Fig.5 Tensile-shear strength of the Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints

圖6 Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點(diǎn)斷口SEM形貌及特征點(diǎn)EDS譜Fig.6 Fracture SEM morphology of Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints and EDS analysis of a characteristic position

拉伸-剪切試驗(yàn)中，三種焊點(diǎn)斷裂均發(fā)生在釬料中。由圖6可以看出，Sn-6.5Zn/銅焊點(diǎn)形成了拋物線形剪切韌窩與等軸韌窩混合型斷口形貌，Sn-6.5Zn-0.1Nd/銅斷口主要表現(xiàn)為不規(guī)則的拋物線形剪切韌窩形貌，而Sn-6.5Zn-0.5Nd/銅斷口主要表現(xiàn)為等軸韌窩形貌；等軸韌窩形貌特征表現(xiàn)為撕裂棱包圍著形狀大小不均的凹坑，且在凹坑底部存在明顯的第二相粒子，由前述界面化合物的相關(guān)分析可判斷這些第二相粒子為Cu5Zn8相；EDS分析結(jié)果表明，Sn-6.5Zn-0.5Nd/銅等軸韌窩凹坑底部的第二相粒子中存在元素釹的富集。有研究表明［8］，錫鋅合金中釹含量較高時(shí)會在釬料/基板界面處富集并形成IMC NdSn3，導(dǎo)致釹對焊點(diǎn)中釬料的變質(zhì)處理作用弱化，造成接頭中組織不均勻和結(jié)合強(qiáng)度下降。

Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點(diǎn)試樣斷口分析表明，添加適量稀土元素釹能夠顯著改善釬料/銅基板界面反應(yīng)的均勻化程度，有利于提高焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度；釹元素添加量過多則會導(dǎo)致焊點(diǎn)界面處稀土化合物的聚集，對結(jié)合強(qiáng)度明顯不利。

3 結(jié) 論

（1）在Sn-6.5Zn合金中添加微量釹具有明顯的變質(zhì)作用，能夠顯著減小釬料/銅界面處Cu5Zn8相的尺寸，提高界面IMC層的致密性。

（2）加入0.1%的釹能顯著改善Sn-6.5Zn釬料/銅焊點(diǎn)界面反應(yīng)的均勻化程度，并避免了剪切斷口中等軸形韌窩的形成，有利于提高結(jié)合強(qiáng)度；添加0.5%釹元素后對界面IMC尺寸與分布不會產(chǎn)生明顯影響，但會導(dǎo)致界面局部稀土化合物的聚集，對結(jié)合強(qiáng)度顯著不利。

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