Sn-9Zn/Cu焊點(diǎn)界面反應(yīng)及其化合物生長(zhǎng)行為

李 雙，胡小武，徐 濤，李玉龍，江雄心

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Sn-9Zn/Cu焊點(diǎn)界面反應(yīng)及其化合物生長(zhǎng)行為

李 雙，胡小武，徐 濤，李玉龍，江雄心

（南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

通過(guò)掃描電鏡（SEM）等手段研究了Sn-9Zn/Cu在不同浸焊時(shí)間與時(shí)效時(shí)間等條件下的界面反應(yīng)及其金屬間化合物（IMC）生長(zhǎng)行為。結(jié)果表明：在浸焊后，Sn-9Zn/Cu釬焊接頭界面形成了扇貝狀的界面化合物Cu5Zn8，IMC層厚度隨著浸焊時(shí)間與時(shí)效處理時(shí)間的增加而增加，未時(shí)效處理的焊點(diǎn)界面IMC與銅基板接觸的一面較為平直，而與釬料接觸的一側(cè)呈現(xiàn)出鋸齒狀，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，界面變得越來(lái)越不平整；另外在IMC層與焊料之間產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象，分析認(rèn)為是由于釬料與IMC之間的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致熱應(yīng)力形成裂縫。浸焊600 s后的試樣在時(shí)效15 d后IMC層與Cu基板接觸側(cè)產(chǎn)生了與初始金屬間化合物Cu5Zn8不同的三元化合物Cu6(Sn, Zn)5。

Sn-9Zn/Cu系；無(wú)鉛釬料；界面反應(yīng)；IMC；時(shí)效；Cu6(Sn, Zn)5

Sn-Pb釬料一直被廣泛使用在電子封裝工業(yè)中[1]。但是Pb對(duì)環(huán)境的危害及對(duì)人體的毒害作用，使得Pb的使用受到了很多國(guó)家法律限制[2-4]，所以無(wú)鉛釬料的發(fā)展越來(lái)越引起人們的重視[5-6]，電子產(chǎn)品無(wú)鉛化已是全球化的趨勢(shì)。在尋找傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料的替代品的過(guò)程中，由于Sn-Zn基無(wú)鉛釬料熔點(diǎn)低(198℃），并且具有優(yōu)異的力學(xué)性能及良好的經(jīng)濟(jì)性，故被認(rèn)為是Sn-Pb釬料的潛在替代品之一[7-9]。

在Sn-Zn系無(wú)鉛釬料研究領(lǐng)域中，大量的文獻(xiàn)主要集中于對(duì)其界面組織性能以及添加微量元素合金化后對(duì)其界面組織性能等的改善或微焊點(diǎn)中的柯肯達(dá)爾孔洞問(wèn)題等的研究，而本文為了更好地將Sn-Zn釬料運(yùn)用于電子產(chǎn)品中，將側(cè)重于介紹Sn-9Zn釬料在釬焊過(guò)程中與Cu基板之間的界面反應(yīng)及其化合物生長(zhǎng)行為。本文采用浸焊方式制備Sn-9Zn/Cu焊點(diǎn)作為研究對(duì)象，由于原子的擴(kuò)散，在金屬基板與焊料之間會(huì)形成金屬間化合物（IMC）。通過(guò)控制浸焊時(shí)間和時(shí)效時(shí)間來(lái)得到不同條件下的焊點(diǎn)反應(yīng)界面，然后采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）對(duì)釬焊界面橫截面組織進(jìn)行觀察和分析，來(lái)展開(kāi)對(duì)其相關(guān)連接機(jī)理與界面結(jié)構(gòu)組織、成分和厚度等演變的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的原材料為純Zn(純度為99.95%)，純Sn（純度為99.99%），Cu基板（片狀電解銅，純度為99.99%），尺寸為10 mm×10 mm×3 mm。所用的Sn-9Zn釬料用電子天平（精度0.01 g）按比例逐一稱取，在溫度為450℃的電子爐中，氮?dú)夂腿埯}（質(zhì)量比(LiCl:KCl)=1:1.3）的保護(hù)作用下熔煉3 h，熔煉期間每隔20 min進(jìn)行攪拌，促進(jìn)合金的均勻化，而后空冷至室溫得到Sn-9Zn釬料。

浸焊前將Cu基板用砂紙打磨并拋光，然后置于酒精中用超聲波清洗，吹干后在Cu基板表面涂上助焊劑，將制備好的Sn-9Zn焊料用坩堝爐在250℃條件下熔融均勻，放入Cu基板試樣，平均分為兩組，一組浸焊30 s，一組浸焊10 min。空冷至室溫后用酒精清洗表面。

10個(gè)焊接接頭制作完成并清洗，干燥后置于箱式烘干爐中進(jìn)行等溫時(shí)效處理，時(shí)效溫度為150℃，基于實(shí)驗(yàn)條件的考慮，浸焊時(shí)間為30 s和600 s的釬焊接頭分別進(jìn)行為期1，5，10和15 d的等溫時(shí)效處理。

因界面處IMC層的起伏程度較大，直接測(cè)量界面IMC層厚度準(zhǔn)確性較差。IMC的等效厚度的測(cè)量使用橫截面方向界面IMC的SEM照片，用Adobe Photoshop軟件處理，通過(guò)調(diào)整對(duì)比度，亮度等參數(shù)使各層IMC層清晰地分開(kāi)，并記錄下每層IMC的像素，通過(guò)公式（1）獲取各層界面IMC的厚度（IMC）：

IMC=(IMC/SEM) ×SEM(1)

式中：IMC為IMC層的像素；SEM為SEM照片的總像素；SEM為SEM照片的實(shí)際高度。

2 結(jié)果與討論

2.1 IMC未時(shí)效的原始形貌分析

通過(guò)SEM對(duì)10個(gè)焊接接頭橫截面試樣進(jìn)行依次觀察，浸焊時(shí)間為30 s，未時(shí)效處理的釬焊接頭橫截面如圖1（a）所示，界面上側(cè)為Sn-9Zn釬料，下側(cè)為Cu基板。在浸焊與時(shí)效過(guò)程中界面之間產(chǎn)生了不平整的金屬間化合物，通過(guò)圖1（b）觀察到界面化合物的晶粒在三維空間中呈現(xiàn)不同規(guī)則的顆粒狀，此化合物是由于液態(tài)釬料和Cu基板的相互擴(kuò)散形成的。通過(guò)EDS進(jìn)一步確認(rèn)了該化合物的具體成分（如圖1（c）），所得Cu及Zn的原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為37.91%和62.09%，Cu與Zn的原子數(shù)之比約為5:8，推斷化合物為Cu5Zn8。未觀察到與Cu-Sn相關(guān)的化合物，說(shuō)明IMC層只有Cu5Zn8化合物。Lee等[10]的研究中也發(fā)現(xiàn)Sn-9Zn/Cu之間最初只產(chǎn)生了Cu-Zn相關(guān)的IMC層而未產(chǎn)生與Cu-Sn相關(guān)的IMC層。觀察SEM圖1（a）發(fā)現(xiàn)，在釬料與IMC層之間出現(xiàn)了不同程度的裂縫（紅色橢圓標(biāo)識(shí)部位），在之前的胡家秀等[11-12]的研究中對(duì)此現(xiàn)象的解釋是由于釬料與界面間化合物之間的熱膨脹系數(shù)差異，導(dǎo)致殘余應(yīng)力集中，裂縫萌生和擴(kuò)展，使得在焊料與IMC層界面處開(kāi)裂。表1為IMC層EDS分析數(shù)據(jù)。

(a) 界面結(jié)構(gòu)；(b) 晶粒形貌；(c) 元素分析

表1 IMC層EDS分析（250℃，30 s）

圖2展示的是浸焊600 s后的焊接橫截面由點(diǎn)A到點(diǎn)B的線掃元素分析圖，值得注意的是Zn原子則集中存在于IMC層，在基板側(cè)以及釬料側(cè)基本觀察不到Zn原子富集，而Sn原子集中存在于釬料中，Cu原子主要存在于基板側(cè)與界面化合物中，基板與IMC中并未明顯觀察到Sn原子富集現(xiàn)象。再次論證了在該浸焊過(guò)程中只生成了Cu5Zn8化合物層，而Sn在此階段并未參與反應(yīng)。

圖3展示的是Sn-9Zn與Cu基板在250℃下焊接600 s后時(shí)效1 d的界面EDS分層照片。圖中截面各物質(zhì)層次清晰，界面上側(cè)為Sn富集相，而Zn原子主要富集于中間化合物層，可以明顯觀察到基板側(cè)Cu原子擴(kuò)散現(xiàn)象明顯，在釬料內(nèi)部靠近IMC層界面局部已可見(jiàn)明顯鋸齒狀化合物聚集區(qū)；IMC層靠近基板側(cè)界面較為平整，而釬料側(cè)呈現(xiàn)凸出化合物層，此現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于Cu原子在Sn中的擴(kuò)散相對(duì)容易，因此在時(shí)效1 d就可明顯觀察到IMC界面靠近釬料側(cè)較近位置便已產(chǎn)生不規(guī)則凸出的化合物聚集區(qū)。

2.2 浸焊時(shí)間和時(shí)效處理對(duì)IMCs層的影響

圖4展示了Sn-9Zn/Cu釬焊接頭經(jīng)時(shí)效處理后的界面微觀結(jié)構(gòu)。與未經(jīng)時(shí)效試樣對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)時(shí)效后Cu5Zn8擴(kuò)散到了釬料內(nèi)部，并且時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散現(xiàn)象越明顯。時(shí)效1 d后，在釬料內(nèi)部只發(fā)現(xiàn)了少部分突出的金屬間結(jié)合層，且靠近釬料一側(cè)的IMC界面呈扇貝狀，與未時(shí)效試樣的觀察結(jié)果對(duì)比并沒(méi)有明顯的差別。這是因?yàn)闀r(shí)效時(shí)間太短，擴(kuò)散程度有限，尚不足以對(duì)整個(gè)界面層造成太大影響。

(a) 截面線掃圖；(b) 元素分析

(a) 截面分層；(b) 截面電鏡圖原貌；(c) Sn元素映射；(d) Cu元素映射；(e) Zn元素映射

（a）時(shí)效1 d;（b）時(shí)效5 d;（c）時(shí)效10 d;（d）時(shí)效15 d

時(shí)效5 d后IMC界面層拓寬現(xiàn)象明顯，且開(kāi)裂現(xiàn)象（圖4（b）中紅色標(biāo)示）比時(shí)效1 d的更明顯。開(kāi)裂現(xiàn)象是由于在時(shí)效處理過(guò)程中較高的時(shí)效溫度提供了晶粒長(zhǎng)大所需的能量，導(dǎo)致了柱狀晶的長(zhǎng)大，進(jìn)而加劇了應(yīng)力集中，IMC層內(nèi)部由于縮松現(xiàn)象的存在導(dǎo)致薄弱層部分開(kāi)裂形成裂紋。觀察圖4（c）與圖4（d）發(fā)現(xiàn)IMC層的擴(kuò)散現(xiàn)象變得更加明顯，在IMC層擴(kuò)散的同時(shí)，靠近焊料一側(cè)的IMC層界面形貌發(fā)生了巨大的變化，呈現(xiàn)出不同規(guī)則并向焊料側(cè)延伸。時(shí)效15 d后，IMC內(nèi)部形成了很多空洞，鄒建等[13]研究發(fā)現(xiàn)在時(shí)效過(guò)程中Cu、Zn兩種物質(zhì)相互擴(kuò)散時(shí)，由于兩者的擴(kuò)散速率不同，使得在擴(kuò)散速率相對(duì)較快的一方形成了柯肯達(dá)爾孔洞。Chiu等[14]的研究發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng)或時(shí)效溫度越高，焊點(diǎn)中的柯肯達(dá)爾孔洞密度越大，焊點(diǎn)的抗沖擊性能等也隨之下降。

觀察圖5(a)~(d)（浸焊10 min）四種時(shí)效時(shí)間下的接頭界面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在時(shí)效時(shí)間較短（1，5 d）時(shí)并未在IMC層內(nèi)部發(fā)現(xiàn)柯肯達(dá)爾孔洞現(xiàn)象，隨著時(shí)效時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，在時(shí)效10 d后接頭界面中開(kāi)始產(chǎn)生柯肯達(dá)爾孔洞現(xiàn)象，并且當(dāng)時(shí)效15 d時(shí)柯肯達(dá)爾孔洞現(xiàn)象更加明顯。另外，更高的時(shí)效溫度會(huì)使得原子熱力學(xué)動(dòng)能增加，導(dǎo)致Cu、Zn、Sn原子的擴(kuò)散能力急劇增加，從而IMC界面發(fā)生了劇烈的變化。表2為IMC層EDS分析數(shù)據(jù)。

從圖4與圖5中發(fā)現(xiàn)，時(shí)效10 d后，觀察到焊料合金中也出現(xiàn)了與IMC層相同的化合物Cu5Zn8[15]，這是由于Cu原子在Sn中的擴(kuò)散速度大約是Zn在Sn基體中擴(kuò)散速度的1000倍[16-17]，來(lái)自基板的銅原子供應(yīng)充足，通過(guò)IMC層擴(kuò)散到了焊料中，與Zn反應(yīng)生成Cu5Zn8化合物。隨著時(shí)效時(shí)間的增加，Cu5Zn8化合物聚集長(zhǎng)大，逐漸由顆粒狀變?yōu)閴K狀。而焊料中的Zn原子則向基板一側(cè)擴(kuò)散，在IMC層附近與擴(kuò)散過(guò)來(lái)的Cu原子反應(yīng)生成Cu5Zn8。與Cu原子相比，Zn供應(yīng)并不均勻，導(dǎo)致局部快速生長(zhǎng)，局部生長(zhǎng)滯后。由于時(shí)效過(guò)程中Zn的擴(kuò)散，導(dǎo)致在焊料中形成富Zn相，但在時(shí)效后逐漸擴(kuò)散消失，界面中已經(jīng)看不到時(shí)效處理前黑色條狀的富Zn相了。總之，未時(shí)效處理的界面，其IMC比較薄，呈波浪狀。時(shí)效處理后，IMC層變得粗大且無(wú)規(guī)則。

表2 IMC層EDS分析（浸焊10 min）

觀察圖5（d），發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)效15 d時(shí)，界面靠近Cu基板側(cè)出現(xiàn)了一層新的界面層。通過(guò)EDS元素分析發(fā)現(xiàn)是一種Cu-Sn-Zn三元化合物，其中Cu原子數(shù)分?jǐn)?shù)約占65.04%，Zn約23.22%，Sn約占11.74%，按照原子數(shù)比推測(cè)該三元化合物為Cu6(Sn, Zn)5，參考王來(lái)等人的研究文獻(xiàn)[18]，推測(cè)其產(chǎn)生是因?yàn)樵诳拷麮u基板側(cè)Cu原子含量較高，Zn原子在釬料合金中形成了比較穩(wěn)定的Cu-Zn化合物而被“存儲(chǔ)”起來(lái)，由于Zn原子很難脫離該化合物，使得擴(kuò)散到界面處的Zn原子急劇減少，導(dǎo)致界面Cu5Zn8相的生成隨之較少。此時(shí)Sn原子向界面處的擴(kuò)散占主導(dǎo)作用并與基板中的Cu反應(yīng)生成Cu6Sn5化合物。而初始生成的Cu5Zn8隨著時(shí)效的進(jìn)行向穩(wěn)定態(tài)的Cu6Zn5轉(zhuǎn)化并溶解在Cu-Sn化合物形成了一種Cu6(Sn, Zn)5的三元化合物，由于Cu-Zn化合物的部分溶解，導(dǎo)致圖5（d）中出現(xiàn)大量孔洞。此三元化合物在浸焊30 s后時(shí)效處理過(guò)程中并未出現(xiàn)，說(shuō)明浸焊時(shí)間也是其形成的影響因素之一，在浸焊30 s時(shí)Zn原子剩余較充分，在時(shí)效處理過(guò)程中釬料中可以提供富足的Zn原子，導(dǎo)致Cu5Zn8化合物在時(shí)效處理過(guò)程中緩慢且連續(xù)生成而先前未出現(xiàn)新的化合物層，而浸焊600 s時(shí)由于浸焊過(guò)程中反應(yīng)劇烈，同時(shí)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，Zn原子被大量消耗后少量剩余，時(shí)效時(shí)當(dāng)Zn原子供應(yīng)不充分時(shí)導(dǎo)致Cu-Zn化合物層的連續(xù)生長(zhǎng)受到限制而Sn原子供應(yīng)充足，這便解釋了兩種浸焊時(shí)間下IMCs層之間的差異。表3為Sn-9Zn/Cu150℃時(shí)效處理后界面IMC層的厚度數(shù)據(jù)。

表3 Sn-9Zn/Cu 150℃時(shí)效處理后界面IMC層的厚度

Tab.3 The thicknesses of IMC of Sn-9Zn/Cu at 150℃ with various time

仔細(xì)觀察焊接時(shí)間為30 s和焊接時(shí)間為600 s的釬焊接頭及不同時(shí)效處理后的微觀界面結(jié)構(gòu)，通過(guò)Adobe Photoshop測(cè)量IMC層厚度，得出在250℃浸焊溫度條件下，浸焊30 s未時(shí)效處理試樣IMC層厚度為4.08 μm，時(shí)效1，5，10，15 d時(shí)IMC厚度分別為6.74，10.94，15.07，17.32 μm。浸焊10 min時(shí)效0，1，5，10，15 d時(shí)IMC厚度分別為6.01，8.95，14.17，19.83，22.79 μm。對(duì)比兩組不同浸焊時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相同時(shí)效時(shí)間條件下，焊接600 s形成的IMC層要比焊接30 s形成的IMC層要厚。分析認(rèn)為焊接時(shí)間越長(zhǎng)IMC層就越厚；焊接時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間就越長(zhǎng)，Cu基板與釬料間生成的化合物越多，因此IMC層也就越厚。

兩組試樣經(jīng)過(guò)不同時(shí)間時(shí)效處理后的IMC層厚度在圖6中以折線圖的方式列出他們的關(guān)系，可以清楚地發(fā)現(xiàn)，相同焊接時(shí)間內(nèi)時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng)，IMC層就越厚；相同時(shí)效時(shí)間條件下焊接時(shí)間越長(zhǎng)，IMC層越厚。IMC層厚度增加是因?yàn)闀r(shí)效時(shí)從銅基板擴(kuò)散出來(lái)的Cu原子與釬料中擴(kuò)散出來(lái)的Zn原子在IMC層處反應(yīng)時(shí)形成了更多的Cu5Zn8化合物，因而增加了IMC層的厚度。但由于Zn原子并不像Cu原子供應(yīng)充分，導(dǎo)致局部快速生長(zhǎng)，使得原本較平滑呈鋸齒狀的界面變得參差不齊。隨著時(shí)效時(shí)間的增加，焊料中出現(xiàn)了越來(lái)越多的Cu5Zn8化合物。這是由于從基板中擴(kuò)散出來(lái)的銅原子穿過(guò)了IMC層與焊料中的Zn原子反應(yīng)而成，因?yàn)镃u原子在Sn中擴(kuò)散速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Zn在Sn中的擴(kuò)散速度，時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，生成化合物也越多。

2.3 IMC層生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)釬焊焊點(diǎn)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析有助于了解IMC的形成過(guò)程和生長(zhǎng)特性，進(jìn)而可以通過(guò)營(yíng)造合適條件，獲得最合適的IMC層，對(duì)于提高焊點(diǎn)的性能有重要意義。

趙國(guó)際等[20]對(duì)釬焊溫度為255℃的液態(tài)Sn-Zn釬料與銅基板反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，認(rèn)為Cu5Zn8可能是由如下兩個(gè)反應(yīng)形成的：

圖6展示了不同釬焊時(shí)間的釬焊接頭經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后的IMC層厚度變化與時(shí)效時(shí)間關(guān)系，時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng)，IMC層厚度就越厚。這也可以從圖6中軸的數(shù)值中很明顯地看出，IMC層的生長(zhǎng)速率由兩個(gè)因素決定，一是原子在化合物中的擴(kuò)散速度，二是生成化合物的反應(yīng)速度。這兩者速度中較小的那個(gè)就是控制化合物生長(zhǎng)的主要因素。通過(guò)圖6還發(fā)現(xiàn)初始IMC層厚度隨時(shí)效時(shí)間增加而迅速增加，而隨著時(shí)效時(shí)間的進(jìn)一步增加，IMC層厚度的增加速度逐漸變緩。這是因?yàn)闀r(shí)效前焊點(diǎn)界面IMC層靠近焊料一側(cè)呈鋸齒形。鋸齒形的結(jié)構(gòu)使得IMC層的晶界較多，因此在初始IMC生長(zhǎng)過(guò)程中晶界擴(kuò)散占主導(dǎo)地位。隨著時(shí)效時(shí)間增加，晶界逐漸減少，來(lái)自基板的Cu原子和來(lái)自焊料的Zn原子必須穿過(guò)IMC層才能反應(yīng)形成Cu5Zn8。由于晶界擴(kuò)散速率要大于體擴(kuò)散速率，因此IMC層厚度的增速變緩[21]。

圖6 150℃等溫時(shí)效過(guò)程中焊點(diǎn)Sn-9Zn/Cu的IMC層的厚度

有資料表明[22]，焊點(diǎn)界面IMC層厚度與時(shí)效時(shí)間呈一定的關(guān)系。該關(guān)系可用一個(gè)冪率公式表示：

=0+t（4）

式中：0代表IMC層時(shí)效處理前的初始厚度；代表IMC層的厚度；為生長(zhǎng)速率常數(shù)；為指數(shù)冪次。圖7展示了IMC厚度與時(shí)效時(shí)間的拋物線關(guān)系，與Kim等[2]得出結(jié)論一致。IMC層厚度與時(shí)效時(shí)間的平方根的線性關(guān)系，也就是說(shuō)=0.5，圖中浸焊30 s與600 s對(duì)應(yīng)的擬合直線斜率分別為0.011 93和0.015 2；當(dāng)浸焊30 s后時(shí)效處理時(shí)其生長(zhǎng)速率常數(shù)為1.423×10–16m2·s–1，浸焊600 s后時(shí)效處理其生長(zhǎng)速率常數(shù)為2.3104×10–16m2·s–1。

圖7 Sn-9Zn/Cu接頭的IMC層的厚度與時(shí)效時(shí)間的平方根的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）觀察浸焊后未時(shí)效處理的焊接接頭橫截面發(fā)現(xiàn)，Sn-9Zn釬料與Cu基板通過(guò)一層金屬間化合物Cu5Zn8連接。隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)行，在浸焊600 s、時(shí)效15 d后靠近Cu基板側(cè)會(huì)生成另一層金屬間化合物Cu6（Sn,Zn)5，其產(chǎn)生是由于在靠近Cu基板側(cè)Cu原子含量較高，Zn原子在釬料合金中形成了比較穩(wěn)定的Cu-Zn化合物而被“存儲(chǔ)”起來(lái)。由于Zn原子很難脫離該化合物，使得擴(kuò)散到界面處的Zn原子急劇減少，導(dǎo)致界面Cu5Zn8相的生成隨之減少。此時(shí)，Sn原子向界面處的擴(kuò)散占主要作用，與基體中的 Cu反應(yīng)生成Cu6Sn5化合物，而初始生成的Cu5Zn8隨著時(shí)效的進(jìn)行向穩(wěn)定態(tài)的Cu6Zn5轉(zhuǎn)化并發(fā)生溶解進(jìn)入Cu6Sn5中生成Cu6(Sn, Zn)5。

（2）未經(jīng)時(shí)效處理的浸焊接頭截面，其IMC層較薄，并且IMC在靠近銅基板的一側(cè)比較平緩，靠近釬料的一側(cè)呈現(xiàn)出波浪狀。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，IMC層向釬料側(cè)拓展并向釬料內(nèi)側(cè)生長(zhǎng)產(chǎn)生峰齒狀界面，隨著時(shí)效時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)界面變得愈無(wú)規(guī)則，在釬料的局部聚集少量IMC層化合物，這是由于基板中擴(kuò)散出來(lái)的銅原子穿過(guò)了IMC層與焊料中的Zn原子反應(yīng)而產(chǎn)生。

（3）對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)界面IMC層的厚度，發(fā)現(xiàn)其厚度隨著焊接時(shí)間的增加而增加。在焊接時(shí)間相同時(shí)，IMC層厚度也隨時(shí)效時(shí)間的增加而增加，并且與時(shí)效時(shí)間的平方根成線性關(guān)系，當(dāng)浸焊30 s后時(shí)效處理時(shí)其生長(zhǎng)速率常數(shù)為1.423×10–16m2·s–1，浸焊600 s后時(shí)效處理時(shí)其生長(zhǎng)速率常數(shù)為2.3104×10–16m2·s–1。

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（編輯：陳渝生）

Sn-9Zn/Cu interface reaction and its IMC growth behavior

LI Shuang, HU Xiaowu, XU Tao, LI Yulong, JIANG Xiongxin

(School of Mechanical Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Interfacial reaction and the growth behavior of intermetallic compound (IMC) between Sn-9Zn solder and Cu substrate interface under different dipping time and aging conditions were investigated by SEM, etc. Experiment proves that the scallop-shaped Cu5Zn8layer is formed at the interface and the IMC layer is thickened with increasing dip-soldering time and aging time. The interfacial IMC of solder joint closes to the Cu substrate without aging treatment, is relatively flat. But on the solder side, the IMC becomes serrated, and the interface is becoming more and more uneven with the increase of aging time. In addition, the crack between the IMC layer and the solder is formed, which is attributed to the thermal stress resulted from the difference of thermal expansion coefficient between the solder and the IMC. After 600 seconds dip-soldering and 15 days aging, the ternary compound Cu6(Sn, Zn)5is formed between the IMC layer and Cu substrate.

Sn-9Zn/Cu system; lead-free solder; interfacial reaction; IMC; aging; Cu6(Sn, Zn)5

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.011

TG425.1

A

1001-2028（2017）11-0060-08

2017-07-14

胡小武

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 51465039; No.51765040）；江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 20151BAB206041; No.20161BAB206122）

胡小武（1982－），江西吉安人，副教授，從事電子封裝等研究，E-mail: huxiaowu@ncu.edu.cn；

李雙（1992－），男，湖北隨州人，研究生，從事無(wú)鉛釬焊研究，E-mail: 153824845@qq.com。

2017-11-02 15:47

網(wǎng)絡(luò)出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171102.1547.011.html