哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
（c）×50 QFP （d）×200 QFP
图3-2 主要焊接元件截面金相照片
由图3-3无铅钎料典型微观照片可知,在Cu盘和钎料的界面明显有一层化合物；钎料内部由白色枝状晶以及分布于白色枝状晶之间的网络状晶体组成。为了确定钎料内部的相组成，对焊点进行EDX分析。
(a) 金相×1000 （b）扫描 图3-3 Sn-Ag-Cu系无铅钎料的典型微观组织
图3-3（b）中的a点对应的EDX曲线如图3-4。有铅和无铅焊膏在和
Cu焊盘的反应中生成的化合物都是η-Cu6Sn5。没有发现ε-Cu3Sn金属间化合物，根据Alex等人的研究[32]，ε-Cu3Sn通常会在时效过程中由η相和Cu盘的进一步反应生成。在通用的回流焊工艺中，由于回流时间较短，不会生成ε相。
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图3-4 界面IMC的EDX分析
无铅焊膏不论A型还是B型焊膏的网络状晶体中都生成金属间化合物Ag3Sn（图3-5）。值得注意的是，焊膏B所形成焊点内部组织中的IMC除Ag3Sn外，也有发现Cu6Sn5相，而焊膏A中较少。这是由于焊膏B本身含0.5％的Cu元素。共晶网络中的Cu6Sn5有别于界面的η相，它在钎料内部呈颗粒状分布，尺寸较Ag3Sn小1～2个数量级。
图3-5 焊点内部IMC的EDX分析
钎料内部的白色枝状晶主要是富锡相β–Sn，含有少量的Ag和Cu元素（图3-6）。由此可见，两种无铅钎料的内部基本结构都由β–Sn和分布于其间的共晶网络组成。其中A型焊膏共晶网络由具有高硬度的金属间化合物
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Ag3Sn和共晶相中基体Sn组成；B型焊膏与之类似，不过在共晶网络中除Ag3Sn外还有小尺寸的Cu6Sn5颗粒。
图3-6 焊点内部枝状晶EDX分析
3.3 冷速对焊点内部组织的影响
图3-7为Sn-3.5Ag焊膏在不同曲线下焊接得到的焊点微观组织：基本结构并不随冷速变化而变化，都是β-Sn颗粒和以及其周围的共晶网络状结构。然而D曲线焊点的微观比A曲线粗大，β-Sn颗粒呈椭圆形状排列。根据金属的非均匀形核理论，液态钎料由于在A曲线下能获得较大过冷度而形核均匀细化。共晶网络在A曲线下较为细密且其截面面积比例较小。因为快冷的液相线上时间较小。D曲线下的冷却使得钎料在液相线上时间比A曲线多17.6秒，则合金中的Sn和Ag可以更充分结晶以形成共晶。
(a)A曲线焊点 ×1000 （b）D曲线焊点 ×1000
图3-7 焊膏A不同冷速下焊点的金相照片
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由公式（3-1）[33]，增加冷却速率，相当于减少了凝固时间，从而减小了枝晶的间距。故枝状晶的间距在慢冷条件下相对较大。枝晶间距的增加同时也表征共晶网络在焊点中百分含量的增加。
S?kts （3-1）
m式中 S —枝状晶的间距；
ts —钎料凝固时间；
k —与材料有关的常量。
对于共晶网络中的金属间化合物Ag3Sn，在A曲线时，快冷提供了更多的形核，并且抑制了Ag3Sn的长大，故形成的组织为球形的Ag3Sn颗粒，弥散分布在共晶网络中的Sn基体上，尺寸较小；随着冷速降低，Ag3Sn的微观形貌从球形向长条状转变。长条状Ag3Sn相不仅在焊点内部形成，而且在钎料与Cu盘的界面处也会形成,如图3-8。
（a）A曲线焊点 （b）B曲线焊点 图3-8 焊膏A不同冷速下焊点内部Ag3Sn 形貌
对于Sn-3Ag-0.5Cu，由图3-9，在D曲线下所形成焊点微观中的β-Sn具有二次枝晶结构。且晶粒比较粗大，其生长具有明显的方向性；A曲线下的焊点则完全没有二次枝晶结构。β-Sn晶粒生长虽然也有一定的方向性，但是不连续，晶粒尺寸较A曲线下的均匀。
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(a)A型曲线 ×1000 （b）D型曲线 ×1000 图3-9 焊膏B不同冷速下焊点的金相照片
F.Ochoa等人认为在快冷条件下之所以没有二次枝状晶的形成，是由于快冷时液态钎料各个部分基本上是同时形核，各部分来不及相互扩散就已经
凝固了，所以晶粒比较细小16；冷却速率的降低使扩散作用相应的加强。在快冷时形成的尺寸和形态趋于一致且具有一定方向性的β-Sn晶粒增加了―汇合‖的几率，由相邻的晶粒联合长成较大的枝状晶并继续生长出二次枝晶。故慢冷时二次枝晶间距和大小都将增加。
和焊膏A相似，焊膏B在快冷曲线下获得的微观组织中，钎料内部共晶网络中的主要金属间化合物Ag3Sn也呈圆形颗粒状。Ag3Sn颗粒平均直径在1.5μm左右，细小而弥散（如图3-10）。颗粒状Ag3Sn由于只在共晶网络中出现，故其分布也呈现网络结构，存在于β-Sn晶粒之间。焊膏B慢冷条件下（D曲线）的Ag3Sn形状介于颗粒和长条状之间，粒度是快冷时的2～3倍。
(a)A型曲线×1000 （b）D型曲线×1000 图3-10 焊膏B不同冷速下焊点的金相照片
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