CN106124698A - 一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法，该方法通过制备Mg/Sn基钎料/Mg超声辅助钎焊接头为晶须生长提供载体。在超声钎焊过程中，由于超声波的作用，大量的Mg原子进入液态钎料中，其中大部分Mg原子与Sn原子结合，在界面处、钎料内部生成Mg2Sn；另有一部分Mg原子以固溶的形式存在于钎料中。钎料凝固后，固溶的Mg原子处于热力学不稳定状态，Mg原子与Sn原子反应形成新的Mg2Sn，并产生体积膨胀，进而在焊缝中形成应力。Sn晶须在应力作用下大量、迅速的生长。本发明可通过统计对比不同Sn基钎料所制备的焊缝表面晶须生长情况，比较不同钎料的Sn晶须生长倾向，为电子工业提供重要的钎料可靠性参数。

Description

一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法。
背景技术：
金属晶须问题被科学界广泛关注始于第二次世界大战刚刚结束的时候。当时Cd是被普遍用于电子元件的表面镀层材料，1946年，Cobb首次观察到足以引起短路的镉晶须。时至今日，晶须尤其是Sn晶须仍然被关注。
虽然目前对于晶须生长机理尚没有达成完全的共识，不过目前普遍的观点认为内部压应力是晶须生长主要动力之一。晶须生长所需压应力来源于以下几方面：1、镀层制备过程中产生的残余应力；2、机械作用过程产生的应力；3、Sn层和Cu层的原子互扩散及Sn原子和Cu原子发生化学反应生成Cu6Sn5金属间化合物而产生的应力；4、电子设备使用过程中焊点电迁移导致原子迁移、金属间化合物富集而产生的应力；5、热循环过程中不同层之间形成的热应力。其中，残余应力与机械应力一般被认为无法提供维持晶须生长所需的持续应力，只有化学反应才能为晶须的生长提供源源不断的能量。K.N.Tu所提出的Sn和Cu间的原子扩散形成Cu6Sn5进而产生应力的理论成为近几年来的研究热点。其机理是Cu原子向Sn层的扩散率大于Sn原子向Cu层的扩散率，因而引起Cu原子向Sn层的净扩散，Sn层的Cu原子与Sn原子发生化学反应生成Cu6Sn5金属间化合物，并在Sn晶界处淀积，由此在此晶界处产生压应力。此时，当Sn层表面的氧化层存在缺陷或裂纹，Sn晶须就会在内部压应力的作用下从缺陷或裂纹处生长出来，局部松弛和释放内部压应力。
Sn晶须的危害主要表现在两个方面：其一，电子产品在封装过程中，通常要在元器件的引脚表面镀一层Sn或Sn基合金钎料以增强回流过程中引脚镀层与钎料的润湿性能。人们很早就发现各种基板和镀层的组合在某些条件下会再表面长出直径几个微米、长度几个微米到几百微米的晶须。当晶须的长度达到引脚间距时，会造成相邻引脚间暂时性或永久性断路。其二，对高密度封装造成潜在威胁。随着封装技术的发展，封装密度越来越高，FC封装中互连焊点的直径达到了25μm、节距为50μm。由于节距减小，增加了晶须生长导致短路的可能性。此外，消费类电子产的电压越来越小，使得短路的晶须在低电压下难以熔断，最终造成永久性的短路。
以Sn基合金为主体材料的封装和表面镀层工艺在电子工业仍处于无法被取代的地位，随着封装密度的提高，晶须所带来的隐患也越严重。因此，对Sn晶须的相关研究工作一直受到工业界的关注。由于晶须的生长具有偶然性和长期性，使得至今仍然没有一种快速可行的方法来评价各种Sn基钎料的晶须生长倾向。
发明内容
鉴于现有技术存在的困难，本发明提供一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法，本发明通过以下步骤实现：
(1)选用厚度为1mm-5mm的板状纯Mg并去除Mg表面的氧化膜和油污，将Sn基钎料压制成厚度为150μm-600μm的Mg/Sn基钎料片；
(2)将Mg板和步骤(1)制得的钎料片，以Mg/Sn基钎料片/Mg三明治结构叠放，施加间隙固定装置，使上下Mg板间的距离在钎料熔融后保持为100μm-500μm；
(3)将步骤(2)的三明治结构材料加热至高于钎料液相线5-30℃，同时施加3-20秒超声波震动，之后迅速将钎料温度降低至固相线以下；
(4)将钎焊接头沿横截面方向切开，将横截面在砂纸上打磨后进行抛光处理；
(5)将试样保存在室温干燥的环境中，Sn晶须短时间内在焊缝表面出现并迅速生长，将新生成Mg2Sn所产生的应力全部释放后晶须基本停止生长。
所述纯镁板可由Mg含量90％以上的Mg合金替换。
所述超声波频率为15～100kHz、振幅为3～20μm，超声波可直接施加在三明治结构上方也可通过模具传导间接施加。频率和振幅的选择主要取决于试样的结构与厚度，一般来讲，试样越厚、超声加载离焊缝越远则频率和振幅约大。对于同一结构试样，适当的提高频率和振幅会增加晶须生长速度和密度。其原因在于：提高频率和振幅会增加Mg元素向Sn基钎料的扩散，进而增加以固溶形式存在的Mg的含量，因此增加晶须生长的应力源。
所述室温干燥的环境为温度20～25℃，相对湿度30-45％RH。也可根据焊点服役实际环境制定试样存放条件。Sn在100℃以上的环境中容易发生回复再结晶从而释放钎料层内部的应力、抑制了晶须的快速生长，因此，试样的存放温度通常以85℃为上限。
其中，所述短时间是指2-12小时内试样表面出现晶须，随后的几十天甚是更长的时间内晶须长度不断增加，直至钎料内部应力消除后晶须停止生长。
由于本发明目的在于评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向，故Sn基钎料包括封装领域所涉及的Sn基二元、三元、多元钎料。所述二元钎料如Sn-Cu钎料，具体的，Sn-0.7Cu等，所述三元钎料如Sn-Ag-Cu钎料，具体的，Sn-3Ag-0.5Cu等。
本发明的原理和有益效果包括：
(1)在超声波作用下，Sn基钎料中Sn原子与Mg原子反应在界面处生成Mg2Sn，并有一部分Mg2Sn在超声作用下弥散分布在钎料中，Sn基钎料与Mg板形成冶金结合，三明治结构形成Mg/Sn基钎料/Mg的超声辅助钎焊接头。
(2)在超声辅助钎焊过程中，由于超声波的超声空化作用，大量的Mg原子进入熔融状态的Sn基钎料中，其中的大部分Mg原子与钎料中的Sn原子反应生成Mg2Sn，由于超声结束后钎焊接头迅速降温，致使一部分Mg原子还未与Sn原子反应并以固溶的形式存在于凝固的焊缝中，由于Mg原子在Sn中的固溶度极低，因此凝固后焊缝中的Mg原子处于热力学不稳定状态，并迅速与Sn原子形成新的Mg2Sn以达到热力学平衡，并同时产生体积膨胀，在焊缝内形成应力。
(3)采用同一参数制备的Mg/Sn基钎料/Mg钎焊接头内部新生成的Mg2Sn数量相似，即焊缝内部应力基本相同，根据不同Sn基钎料所生长的Sn晶须长度及数量的差别，可比较不同的Sn基钎料在相同应力作用下Sn晶须生长倾向，为电子工业封装用Sn基钎料的选择提供重要的可靠性参数。
附图说明
图1为Mg/Sn基钎料/Mg超声辅助钎焊接头制备过程示意图。
图2为实施例1所制备Mg/Sn/Mg焊缝表面晶须生长形貌。
图3为实施例2所制备Mg/Sn-0.7Cu/Mg焊缝表面晶须生长形貌。
图4为实施例3所制备Mg/Sn-3Ag-0.5Cu/Mg焊缝表面晶须生长形貌。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1和2所示，选用3mm厚纯Mg板，将纯Sn钎料压制成厚度为300μm的钎料片，焊缝宽度为200μm，将Mg/Sn/Mg三明治结构使用感应加热至240℃，使用频率为20KHz，振幅为8μm的超声波作用15s。试样打磨抛光后置于室温环境(温度20～25℃，相对湿度30-45％RH)，Sn晶须于抛光后2-4小时出现，随后快速生长。
实施例2：
如图1和3所示，选用2mm厚纯Mg板，将Sn-0.7Cu钎料压制成厚度为400μm的钎料片，焊缝宽度为300μm，将Mg/Sn/Mg三明治结构使用感应加热至240℃，使用频率为20KHz，振幅为5μm的超声波作用12s。试样打磨抛光后置于室温环境(温度20～25℃，相对湿度30-45％RH)，Sn晶须于抛光后2-4小时出现，随后快速生长。
实施例3：
如图1和4所示，选用5mm厚纯Mg板，将Sn-3Ag-0.5Cu钎料压制成厚度为200μm的钎料片，焊缝宽度为150μm，将Mg/Sn/Mg三明治结构使用感应加热至230℃，使用频率为25KHz，振幅为10μm的超声波作用6s。试样打磨抛光后置于室温环境(温度20～25℃，相对湿度30-45％RH)，Sn晶须于抛光后2-4小时出现，随后快速生长。
实施例4：
选用3mm厚纯Mg板，将Sn-3Ag-0.5Cu钎料压制成厚度为500μm的钎料片，焊缝宽度为400μm，将Mg/Sn/Mg三明治结构使用感应加热至230℃，使用频率为20KHz，振幅为8μm的超声波作用8s。试样打磨抛光后置于室温环境(温度20～25℃，相对湿度30-45％RH)，Sn晶须于抛光后2-4小时出现，随后快速生长。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细的说明，但是不表示本发明的具体实施是局限于这些说明。对于本发明所属拘束领的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或是替换，都应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法，其特征在于，包括以下步骤实施：
(1)选用厚度为1mm-5mm的板状纯Mg并去除Mg表面的氧化膜和油污，将Sn基钎料压制成厚度为150μm-600μm的Mg/Sn基钎料片；
(2)将Mg板和步骤(1)制得的钎料片，以Mg/Sn基钎料片/Mg三明治结构叠放，施加间隙固定装置，使上下Mg板间的距离在钎料熔融后保持为100μm-500μm；
(3)将步骤(2)的三明治结构材料加热至高于钎料液相线5-30℃，同时施加3-20秒超声波震动，之后迅速将钎料温度降低至固相线以下；
(4)将钎焊接头沿横截面方向切开，将横截面在砂纸上打磨后进行抛光处理；
(5)将试样保存在室温干燥的环境中，Sn晶须短时间内在焊缝表面出现并迅速生长，将新生成Mg2Sn所产生的应力全部释放后晶须基本停止生长。
2.根据权利要求1所述的一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法，其特征在于，所述纯镁板可由Mg含量90％以上的Mg合金替换。
3.根据权利要求1所述的一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法，其特征在于，所述Sn基钎料包括封装领域所涉及的Sn基二元、三元、多元钎料。
4.根据权利要求1所述的一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法，其特征在于，所述超声波频率为15～100kHz、振幅为3～20μm，超声波可直接施加或者传导间接施加。
5.根据权利要求1所述的一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法，其特征在于，所述室温干燥的环境为温度20～25℃，相对湿度30-45％RH。
6.根据权利要求1所述的一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法，其特征在于，所述短时间是指2-12小时。
7.根据权利要求1所述的一种快速评价Sn基钎料Sn晶须生长倾向的方法，其特征在于，所述Sn基钎料包括封装领域所涉及的Sn基二元、三元、多元钎料。
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