钎料/基体界面IMC的生长变形机制

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随着电子产品向更集成性、更便捷的方向发展,电子封装也向着高密度互连方向发展,微互连的焊点尺寸日益减小,金属间化合物作为钎料/基体的中间层起到一个连接的作用,而高密度封装导致差的散热使得IMC在整个封装焊点中的体积比相对增大,因此研究钎料/基体界面IMC的生长变形机制会显得尤为重要。在钎料和基板中加入一定量的Zn元素发现,在钎料中随着Zn元素含量的增加,钎料在铜基板上的润湿性将会变差,当含量为0.8%时,钎料在基板上几乎不润湿,将一定量的Zn元素加入到铜基板中对钎料的润湿性影响较小,但当铜基板中Zn元素含量过高时同样会遏制钎料在基板的润湿铺展。在Sn-Cu二元系热力学计算中,在焊接初始阶段界面生成Cu6Sn5所需的吉布斯自由能较Cu3Sn小,因此Cu6Sn5作为首先反应生成的稳定相析出,在Sn-Zn-Cu三元系中,当钎料中Zn含量低于0.7%时,随着含量越低,Cu6Sn5的驱动力越大成为首先形成稳定的相。但当Zn含量高于0.7%时,Cu5Zn8会始终保持正值,相的形成驱动力始终在Cu6Sn5之上,成为优先生成的相。对Sn-XZn/Cu和Sn/Cu-XZn时效发现,Sn-0.8Zn/Cu中IMC生长所需激活能最大,因此,生成IMC的厚度最薄,而Sn/Cu中IMC生长所需激活能最小,当将Zn从钎料加入到基板时,Sn/Cu-2.27Zn中IMC生长所需的激活能比Sn-0.2Zn/Cu要大,但明显低于Sn-0.5Zn/Cu。 Sn/Cu-4.87Zn界面IMC生长所需的激活能介于Sn-0.8Zn/Cu与Sn-0.5Zn/Cu之间。对Sn–3.0Ag–0.5Cu/Cu焊接接头在不同界面IMC/钎料结合形貌以及不同应变速率下的断裂方式进行有限元模拟分析发现,在层状结合形貌中,界面IMC厚度都为10μm的前提下,当钎料厚度由30μm增大到80μm时,在0.01s-1应变速率下,焊接接头的断裂方式将由混合断裂转变为脆性断裂。而在1s-1,30s-1应变速率下,焊接接头的断裂方式都是属于塑性断裂;而当钎料/界面IMC的结合形貌由层状转变为扇贝状时,在三种应变速率下,都是塑性断裂。在低加载速率下,Cu6Sn5出现锯齿流变现象,我们认为与剪切带有一定的关联,可能是每个剪切带的扩展对应了多个锯齿事件。
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