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一文详解Sn晶须生长现象

2019-04-01 10:29
可靠性杂坛
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三、Sn晶须生长的机理

Sn晶须在室温条件下自生长过程是应力产生和松弛同时进行的动力学过程。因此,研究晶须的生长机理时必先了解其应力的产生、应力松弛的发生机制和晶须的生长特征等。1)应力产生机制应力的产生是由于Cu原子向Sn内进行填隙式扩散并生成Cu6Sn5金属间化合物(IMC),IMC长大造成的体积变化对晶界两边的晶粒产生了压应力。一般来说,在Sn镀层中某一固定体积V内包含IMC沉淀相,吸收扩散来的Cu原子后,并和Sn反应不断生成IMC,就势必在固定体积内增加了原子体积。例如,在某一固定体积内增加一个原子,如果体积不能扩展则会产生压应力。当越来越多的Cu原子(n个Cu原子)扩散到该体积中生成Cu6Sn5时,固定体积内应力就将成倍地增加。大部分晶界处的Cu6Sn5沉淀相是在共晶SnCu合金电镀过程中产生的。SnCu镀层经过再流处理后,多数晶界处的Cu6Sn5沉淀相在凝固过程中析出。在熔融状态中,Cu在Sn中的溶解度为0.7wt%,凝固过程中Cu溶解度处于过饱和态而一定会析出(大部分在冷却至室温过程中以沉淀方式析出)。越来越多的Cu原子从Cu引线框架扩散至钎料层,使晶界处的沉淀相长大,造成Cu6Sn5体积增加(一种说法是20%,另一种认为可达到58%)和在钎料镀层内形成压应力,如图8所示。

图8 室温附近的晶须生长机理

根据这种机理,可以发现晶须发生和生长的参数。首先是受不均匀化合物形成的容易度的影响较大。在Cu的情况下,Cu基板本身成为Cu往Sn镀层中扩散的扩散源。如果基板表面是Ni,同样形成与Sn的化合物(Ni3Sn4),但它的成长非常缓慢,难以发生晶须。所以如果以Ni层作为Sn镀层的基底镀层,则可有效抑制室温晶须。“42”合金比Ni更加稳定。黄铜对于室温晶须化合物形成比较缓慢,基本上具有抑制晶须的效果。但是黄铜中的Zn在易于活动的高温环境下,Zn扩散到Sn镀层中而氧化,由于体积膨胀作用而发生压缩应力,助长了晶须的发生和生长。无铅钎料几乎都是高Sn合金,纯Sn表面很容易受到Sn晶体的自然增长而形成Sn晶须,而且还有不同的形状,如图9、图10所示。

图9 纯Sn的单晶体在晶格的缺陷处生长岀来

图10 呈条状和垛状的Sn晶须

2)氧化层破裂机制在通常环境中,Sn基钎料层表面均覆盖有氧化层(SnO层),且SnO层是覆盖整个表面的一个完整体表皮层。晶须为了生长,就必须延伸使表面氧化层破裂。氧化层最容易断裂的位置就是晶须生长的根部。为了保持晶须的生长,这种断裂一定要产生,以维持未氧化的自由表面,保证Sn晶须生长所需的Sn原子可以长程扩散过来。Sn晶须表面氧化层对Sn晶须的生长也起到至关重要的限制作用,而使其沿单一方向生长。表面氧化层阻止了Sn晶须的侧向生长,这就解释了为什么Sn晶须具有像铅笔一样的形状且直径只有几μm。3)Sn晶须的生长Sn晶须的生长属于一种自发的表面突起现象。Bell实验室较早报导了Sn电镀层上会出现自发生长的Sn晶须。对Sn晶须的结构性能进行研究得出:Sn晶须为单晶结构。Sn晶须的生长是自底部(根部)而非顶部开始的。Sn晶须是直径为1~10μm,长度为数μm到数10μm的针状形单晶体,易发生在Sn、Zn、Cd、Ag等低熔点金属表面。在镀Sn层中Sn晶须生长的原动力是镀Sn中药水失衡造成层中产生的压缩应力(见图11)或是Cu、Sn合金相互迁移所形成的内应力(见图12)。

图11 药水失衡形成Sn晶须

图12

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