哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
对比在同等条件下形成焊点的焊膏A和焊膏B，粗大的长条状Ag3Sn相在含银量高的焊膏A中出现的几率更高。长条状Ag3Sn在慢冷时往往比β-Sn枝状晶的尺寸还要大，甚至贯穿整个焊点。在微连接过程中尽量避免生成这种粗大的Ag3Sn脆性相，因为其在使用过程中极易导致焊点的破坏，降低产品的使用寿命。
对比金属间化合物和基体Sn的强度性质（表3-1），不难看出无论是η-Cu6Sn5，ε-Cu3Sn还是Ag3Sn相，其强度和硬度都远大于基体Sn。这和复合材料颇为相似。以SiC颗粒增强的Al基复合材料为例，SiC颗粒硬度、强度和熔点都超过Al基体。当增强颗粒均匀而弥散的分布于基体中，且界面结合良好时，材料的总体性能大为提高。复合材料的制造方法包括压铸法等物理方法以及反应法等化学方法。其中，在材料中通过化学反应生成新的中间相并使材料性能显著提高的方法叫原位增强法[34]。
表3-1 钎料及其IMC的强度性质对比
性 质 杨氏模量(GPa) 剪切模量(GPa) Cu6Sn5 85.6 Cu3Sn 108.3 Ag3Sn 78.9 [35]
Sn 46.9 Sn-3.5Ag 51.3
无铅钎料在快冷条件下通过反应获得的金属间化合物实际上起到原位增强的作用。但是如果IMC形态不规则（如慢冷时的长条状），分布不均匀，则其很难与基体Sn有良好的结合界面，不能起到原位增强作用。同时，不同冷速产生的不同形貌尺寸的IMC也会影响材料的断裂方式。
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3.4 冷速对焊点界面组织的影响
钎料与Cu盘界面处的IMC的厚度和形貌随着焊接温度和焊接时间的变化而变化，当焊接温度升高和焊接时间增长时，界面处的IMC厚度增加。当冷却速率降低时，即增加了钎焊的焊接时间，从而使各种元素之间有足够的时间相互扩散和反应，使得界面处的IMC层厚度增加，如图3-11示。
从图中可知，界面处的原始IMC形貌明显受冷却速率的影响。A曲线和B曲线下形成的焊点IMC相对较薄，形貌平滑；在C和D曲线下的IMC厚度增加，而且较为尖锐。在C曲线下呈锯齿状，而随着冷速进一步降低，锯齿状更为突出。
Cu6Sn5
(a)A型曲线焊点 ×1000 （b）B型曲线焊点 ×1000
Cu6Sn5
(c) C型曲线焊点 ×1000 （d）D型曲线焊点 ×1000
图3-11焊膏B慢冷焊点内部的长条状
IMC的厚度受到基底Cu的溶解扩散速度和IMC长大方式的影响。在反应的初期阶段，基底Cu溶解到液态无铅钎料中占主导地位，直到液相达
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到饱和。随后，IMC长大占主导地位。由于回流焊工艺加热参数一定，不同冷速以改变焊接时间、IMC的形核率以及IMC的长大时间来影响界面IMC的形貌和厚度。降低冷速相当于增加了钎料熔点温度以上的时间，从而增加了界面处合金元素Sn和Cu之间的相互扩散。根据钎焊的扩散原理，扩散量与浓度梯度、扩散系数、扩散面积和扩散时间有关，如公式（3-2）[36]：
钎料和母材之间的扩散：
dm??DSdcdxdt （3-2）
式中 dm—钎料组分的扩散量； D—扩散系数； S—扩散面积；
dcdx—在扩散方向扩散组分的浓度梯度；
dt—扩散时间；
由公式可知，在相同温度条件下，焊接时间越长，扩散层厚度越大，在凝固过程中形成η-Cu6Sn5相越厚。
图3-12为C型和D型曲线焊点的典型IMC形貌，尤其在D曲线下焊接完成的焊点界面IMC起伏较大。部分η-Cu6Sn5异常长大，使得IMC的厚度只能取平均值计算。
(a) C型曲线焊点 （b）D型曲线焊点
图3-12 焊膏B界面扫描照片
如表3-2为两种无铅焊膏不同冷速下焊接所得焊点的IMC平均厚度
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值。当冷速在-4℃/S以上时，厚度较薄，在2μm左右，冷速小于-2℃/S后，IMC厚度增加更快，超过3.5μm。而在相同条件下，焊膏A的IMC厚度比焊膏B的略厚。这是由于焊膏A中本身不含Cu元素，在反应过程中，基板的Cu向钎料中扩散速率更快，扩散量较多，因而在界面的厚度稍大。
由表3-2可得冷速和IMC厚度的关系曲线（图3-13）。可见，除了在厚度方面的些微差异之外，冷速对IMC生长厚度的影响趋势是基本一致的。
表3-2 两种焊膏在不同冷速下IMC的平均厚度 冷速（℃/S） 0.55 1.15 2.10 4.15 6.50 焊膏A（μm） 3.7 3.3 2.8 2.3 2.0 焊膏B（μm） 3.5 3.0 2.5 2.1 1.8
图3-13 冷速和IMC厚度关系
3.5 不同冷速对时效过程界面IMC生长的影响
不同冷却速率下形成焊点IMC的初始厚度和形貌有差异，这对焊点时效必然产生影响。由IMC的生长经验公式（3-3）、（3-4）
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x?x0?Atnexp(??H/RT) (3-3)
ln(x?x0)?ln(A)?nln(t)??H/RT (3-4)
式中 x0—IMC初始厚度；
A—常数； —激活能；
t—时效时间； ?HR—气体常数；
n—时间指数；
这里x是某时刻IMC厚度，是时间t（s）的函数。这里的时间指数至关重要，它标志着不同的扩散机制和扩散系数。在不同的温度和不同的IMC初始形貌时，时间指数n值不同。可见，影响焊点时效过程IMC生长的因素不只有初始厚度，和初始形貌也大为相关。所以，不同冷速形成的焊点会影响时效过程中界面IMC的生长，从而影响焊点质量。
为了观察界面IMC在时效过程的生长，本文试件在150℃下分别时效5天，10天，15天，20天，如图3-14为Sn-3.5Ag在C曲线下焊点时效的界面图片。可见IMC的形貌在时效过程中趋于平缓，厚度逐渐增加。在IMC的生长过程中，逐渐生长出Cu3Sn相。随着时效过程的继续，Cu3Sn在界面IMC中的比例增加，在时效20天后，达到20％左右。
（a）0天 （b） 5天
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