含稀土相无铅焊点表面的锡须生长研究进展

Ｃ ｕｎ ｈ ａ ｇ等 究 表 明 ， 加 质 量 分 数 ０ ５ 。研 添 ．％ 的 Ｇ ｅ到 Ｓ 一 Ａ ～ ． Ｃ － ． Ｃ ｎ ３ ｇ ０ ５ ｕ ０ ５ ｅ合 金 中有 效 地 减 少 了锡 须 生 长． 抑 制 效 果 归 因 于 加 入 元 素 Ｇｅ 此 后 ， 金 中 Ｃ Ｓ 金 属 间 化 合 物 相 氧 化 减 缓 ． 合 ｅｎ 另
第 ２ ６卷 第 ３期 ２Ｉ ０ ２年 ９月
上
海
工
程
技
术
大
学
学
报
Ｖｏ ． ． １ ２６ ＮＯ ３
Ｓｅ ｔ ２ ２ ｐ ． ０１
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦＳ ＨＡＮＧＨＡＩ ＵＮＩ Ｒ Ｉ ＮＧＩ Ｅ Ｉ ＣＥＮ ＶＥ ＳＴＹ ０Ｆ Ｅ ＮＥ Ｒ ＮＧ Ｓ Ｉ ＣＥ
外 ，ａｎ等 向 Ｓ 一 Ｚ 一 Ｂ一 ． Ｃ 合 金 中 添 加 质 Ｊｉ ｎ ８ ｎ３ ｉ ５ ｅ ０
不是 锡须 生长 的原 因 ， ｈ 等 设 计 了一种 Ｎ Ｓ ， Ｓｉ ｄｎ 粉末 样 品实验 ． 果 表 明 ， 没有 周 围 锡基 体 约 束 结 在
量 分数 ０ ５ 的 Ｇｅ 可 以增加 （ ｅ Ｚ ） ｎ ．％ ， Ｃ ， ｎ Ｓ 金属 问 化 合物簇 的抗 氧化性 ， 能有 效地 抑制锡 须生 长 ． 也 由于锡 须 的生 成 降低 了电子封 装 的可靠性 ， 因 此， 人们 一直 在努 力寻 找抑制 或缓解 锡 须生 长的方 法． 虽然 合金 元素 的加 入也 会 带 来 一 些坏 处 ， 合 但 金 法是 目前 抑制含 稀 土 相 软钎 焊 接 头 上 锡 须 生 长 的有 效方法 之一 ．
理解 为活性 锡原 子机 制．
锡 须 的生长 ． 而正 如 Ｓ ｉ 然 ｈ 等 指 出 ： 种 观 点 不 这 能解 释为什 么实 验 中在 Ｓ — Ｅ相 附近 的锡基 体 中 ｎＲ 却 从 未见到 锡须 生长 ， 本来 由氧 化造成 的体 积膨 胀
也应 在这里 形成 较高 的局部 应 力． 为 了进 一 步 证 明 在 Ｓ — Ｅ 合 金 条 件 下 压 应 力 ｎＲ
ｅ ｆ ｃ ｉ ｅ ｉ ｂ ｔｏ ｅ ｈ ｅ ｅ ｐ ｏｖ ｄ ｄ ａ ｄ ｄｉｃ ｓ ｅ ｆｅ ｔｖ ｎｈｉ ｉｉ ｎ ｍ ｔ ｏｄ ｗ ｒ ｒ ｉ ｅ ｎ ｓ ｕ ｓ ｄ． Ｋ ｅ ｒ ｓ ｔｎ ｗ ｈ ｓ ｒ；ｒ ｒ — ａ ｔ ｌ ｍ ｅ ｓ；ｇｒ ｗ ｔ ｅ ｈ ｎｉｍ ；ｉ ｉ ｔｏ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｉ ｋｅ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｅ ｅ ｎｔ ｏ ｈｍ ｃ ａ ｓ ｎｈ ｂｉｉ ｎ
分 子反应 ， 释放 出活性 锡 原 子 ， 后 这 些活 性 锡 原 然
子在 化学 势梯度 的驱 动 下形成 锡须 ． Ｄ ｄ ｋ等 ＿］ ｕｅ １ 也研 究 了 Ｓ — Ｅ合 金 表 面 的 锡 ｎ Ｒ 须 生长 问题． 他们认 为在 此条 件下锡 须 生长 的原 因 仍 然是压 应力 ， 应 力 产生 的原 因 是 Ｓ — Ｅ金 属 压 ｎＲ
ａ ｐ ａ ｎ ｔ ｅ ｓ ｒａ ｅｏ ｏｄ ｒｊ ｉ ｔ ｆｅ ｉ ｅ ｐ ｓ ｒ ｏ ｅ ｉｄ ｏ ｉ ． ｎ ｗｈｓ ｅ ｒ ｗｔ ｄ ｌ ｐ ｅ ｒｏ ｈ ｕ ｆｃ ｆｓ ｌ ｅ ｏｎ ｓａ ｔｒａｒ ｘ ｏ ｕ ｅｆ ｒａ ｐ ｒｏ ｆｔ ｍｅ Ｔｉ ｉｋ ｒｇ ｏ ｈ ｍｏ ｅ ｏ ｈ ｕ ｆｃ ｆｓ ｌ ｅ ｏｎ ｓｗｉｈｒ ｒ— ａ ｔ ｈ ｓ ｓｐ ｅ ｅ ｔｄ，ｉ ｉｋ ｒ ｒ ｗｔ ｃ ａ ｉｍ ｎ ｎ ｎ ｔ ｅｓ ｒａ ｅｏ ｏ ｄ ｒｊｉ ｔ ｔ ａｅ ｅ ｒｈ ｐ ａ ｅｗａ ｒ ｓ ｎ ｅ ｔｎｗｈ ｓ ｅ ｏ ｈｍｅ ｈ ｎ ｓ ａ ｄａ ｇ
第 ２ ６卷
梯度 ： 新释 放 的活性 锡 原 子 化 学 势较 高 ， 须 核 处 锡 锡原 子化 学势 较低 ． 在此 化 学 势 梯 度 的驱 动 下 ， 活
Ｃ Ｓ 氧 化 时 ， 格 膨 胀 为 锡 须 生 长 提 供 了 压 缩 应 ｅｎ 品
力， 且在 １ ０℃ 条件 下快 速氧 化 ， ５ 提供 的锡 原子 多． （ ｅ ． Ｚ ０ １ Ｓ 。 粒 子在 室 温 和 １ ０℃ 条 件 下 Ｃ ０９ ｎ ． ） ｎ 相 ５ 的尺寸 变 化 都 很 小 ， １ ０℃ 时 ， 点 上 有 Ｚ 在 ５ 焊 ｎ富
收 稿 日期 ： ０ ２—０ ２１ ５—３ ０
作 者 简 介 ：杨 橄 生 （ ９ ６ ， ， 理 工 程 师 ， 读 硕 士 ， １ ８ 一） 男 助 在 研究 方 向 为 微 连 接 技 术． ｉ ｎ ｕ ｇ＠ １３ ｃｒ Ｅｍａｌ ｅｙ ｓ ６ ．ｏ ： ｎ
上 海 工 程 技 术 大 学 学 报
文章 编 号 ：１ ０ ０ ９—４ ４ ２ １ ） ３ ２ ７ ５ ４ Ｘ（ ０ ２ ０ —０ ６ —０
含 稀 土 相 无 铅 焊 点 表 面 的 锡 须 生 长 研 究 进 展
杨 橄 生 ，于 治 水
（ 海 工 程 技 术 大 学 材 料 工 程 学 院 ，上 海 ２ １ ２ ） 上 ０ ６ ０
（ ｅ． Ｚ ０ １ Ｓ ａ被 氧 化 时锡 原 子 供应 不 足且 压 Ｃ ０９ ｎ ．） ｎ
缩 应 力 快 速 释 放 ， 碍 了 锡 芽 的 延 长 及 在 室 温 和 阻 １ ０℃ 初 始 状 态 下 小 丘 的 形 成 ． ５
Ｃ ｕｎ ｈ ａ ｇ等 分析认 为 ， 对锡 须 的抑制 作 用 与
锡 须 是 在 材 料 表 面 （ 般 为 锡 镀 层 或 软 钎 可 在不 同 电势 的 锡
导 体 问 生 长 ， 引 起 暂 时 或 永 久 短 路 ． 须 还 可 能 可 锡
点表 面 ） 自发 生长 而延 长 的锡 单 晶 体结 构 ， 径 大 直
改善 Ｓ 一 Ａ ０ ５ ｕ ０ ５ ｅ一（ ５ ｎ合 金 中 的 ｎ ３ ｇ一 ． Ｃ 一 ． Ｃ ） Ｚ ． （ ｅ Ｚ ）Ｓ 金 属 间 化 合 物 相 关．相 较 于 Ｃ ｎ ｎ
Ｃ Ｓ （ ｅ Ｚ ） ｎ 相粒 子 的尺寸 减小 １１ 以 ｅ ｎ ，Ｃ ｎ Ｓ ， ／０
度、 细化 组织 结 构 和延 长蠕 变 断裂 寿命 等＿ ． ２ 但 ］ 是 ， 加稀 土元 素 后锡 基钎 焊接 头表 面会 自然 生 长 添 出不 同形 状 的锡 须 ， 种 金 属 锡 须 可 能会 剥 离 ， 这 从
软钎 焊 焊点 表面 的锡须 生长 行为及 相 关机制 ， 同时 提 出用合 金法 抑制 此类 锡须 的生 长．
间 化 合 物 在 空 气 中 易 于 氧 化 ， 化 后 发 生 体 积 膨 氧
上 ． 是 因 为小 尺 寸 （ ｅ Ｚ ） ｎ 正 Ｃ ｎ Ｓ 相 颗 粒 的存 在， 氧化反 应 不 足 以 提 供 充 足 的 锡原 子 和 压 缩 应 力， 因此 锡须很 难生 长． 结合 本 文研究 者作 的分 析 ， 软钎 焊 焊点表 面 的
的条 件 下 ， Ｓ 。粉 末 表 面仍 然 快 速 萌 生 了大 量 Ｎｄ ｎ
锡须 ． 因此 ， ｄ ｋ等 胡认 为 ， 力 机 制 是 不 成 立 Ｄｕ ｅ 应 的， 无铅锡 基 软焊点 表 面锡须 生长 的原 因应 当与活 性锡 原子 的存 在有关 ．
约 １ ３ ｍ， 度 从 几 个 ｍ 到 几 百 个 ／ 不 等 ， － 长 ， ｍ 最
因静 电引力 而发 生 弯 曲 ， 而增 大短 路 的 可 能性 ． 从
另 外 ， 须 会 碎 裂 ， 起 光 器 件 等 的 机 械 损 伤 ． 子 锡 引 电
长可 达 １ ０ｍｍ 以上 ¨ ． 电子封 装 行业 中 ， 了发 １在 ］ 为 展无铅钎 料 ， 加 少量诸如 Ｃ ， ｕ Ｅ 添 ｅ Ｌ ， ｒ等 稀 土 元
Ｌｅ ｄ Ｆｒ ｅ Ｓ ｌ ｅ ｏ ｎ ｓ ｗｉｈ Ｒａ ｅＥａ ｔ ａ ｅ ａ － ｅ ｏ ｄ ｒＪ ｉ ｔ ｔ ｒ — ｒ ｈ Ｐｈ ｓ
ＹＡ Ｎ Ｇ Ｇａｎ ｈｅ ｇ 。ｙＵ ｓ ｎ Ｚｈｉｈｕｉ ｓ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｂｙ ｄ ｉ Ｓ ｏｐ ｎｇ ｎ—Ａｇ—Ｃｕ ｂ ｆ ｅ ｓ ｄ ｒ ｗｉｈ ｒ ｒ — ａ ｔ ｌｍ ｅ ｓ，ｔ ｃ ｎ ｏ ｉ ｕｓｙ ｉ ｐ — ｒ ｅ ｏｌ ｅ ｔ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｅ ｅ ｎｔ ｉ ａ ｂｖ ｏ ｌ ｍｐｒ ｖ ｈｅ ｏ ｅｔ ｃ ｍ ｐ ｅ ｎ ｉ ｒ ｐｅ ｔｅ ｈ ａｌ ｙ ｏ ｒ ｈｅ ｓｖｅ ｐ ｏ ｒ ｉ ｓ ｏｆ ｔ ｅ ｌｏ ．Ｈｏｗｅ ｒ， ｉ ｗｈ ｓ ｅ ｇ ｏｗｔ ｖｅ ｔｎ ｉｋ ｒ ｒ ｈ ｐｈｅ ｍ ｅ ｎｓ ａ ｏ ｅ ｖ ｄ ｏ ｎｏ ｎｏ ｃ ｎ ｂｅ ｂｓ ｒ ｅ ｔ
关 键 词 ：锡 须 ；稀 土 元 素 ；生 长 机 制 ； 制 抑 中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ ． Ｇ４５１ 文 献标 志码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｎ Ｗ ｈ ｓ ｅ ｏ ｈ ｏ ｕ ｆ ｃ ｆ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｆ Ｔｉ ｉ ｋ ｒ Ｇｒ ｗｔ ｎ Ｓ ｒ ａ ｅ ｏ
摘 要 ：在 Ｓ — — ｕ无 铅 钎 料 合 金 中添 加 稀 土 元 素 ， 以 显 著 改善 钎 料 的 综 合 性 能 ， 在 空 气 下 ｎ Ａｇ Ｃ 可 但
暴 露一 定 时 间后 ， 可能 随之发 生软钎 焊 焊点 表 面的“ 须 生长” 象． 锡 现 对含 稀 土相软钎 焊 焊点表 面 的锡 须 生长及 其模 型进 行 了综 述 ， 讨 了软钎 焊 焊点 表 面锡 须 的 生长机 制及其 有效 的抑 制方 法． 探
集 相 ．由 于 （ ｅ ． Ｚ ０ １ Ｓ 相 粒 子 的 尺 寸 小 ， Ｃ ０９ ｎ． ）ｎ
性锡 原子 将 向化 学 势较低 的锡 须根部 流 动 ， 由此 供
养锡 须不 断生 长 ． ］ 至于这 种化 学势梯 度驱 动 的结 果 为什么 是生 长锡 须而不 是 长成 晶粒 ， ｈ 等 认 Ｓｉ 为 ， 口Ｓ 与 一 ｎ晶体结 构 的各 向异 性有关 ， 同时锡 须表 面 存在 的天 然氧化 膜也 是 阻碍 一 ｎ晶体侧 向生 长 Ｓ 的重要 原 因． ｉ Ｌ ｕ等［ １ 高放 大倍数 下也 观察 到 图 在 ２所 示 的锡须 表面厚 度为 １ ～ １ ｍ 的氧 化膜 ． ５ ８ｎ Ｌ ｕ等¨ ］ 一 步 研 究 后 发 现 ， Ｓ 。合 金 ｉ １ 进 Ｎｄ ｎ 室 温放 置后 ， 面有稀 土 的氢 氧化 物 Ｎｄ ＯＨ） 存 表 （ ， 在， 因此 ， ｎ Ｒ Ｓ － Ｅ金 属化合 物 也 可能 与 空气 中的 水
器 件如 引线框 架 可 能会 因所 用 钎 料形 成 锡 须 而短
路［ ． ４ ］ 因此 ， 究 含 稀 土 相 的 软 钎 焊 焊 点 表 面 的 研
锡 须 生 长 具 有 重 要 的 意 义 ． 文 主 要 论 述 含 稀 土 相 本
素 ， 以显 著 改善 钎 料 合 金 的 综 合性 能 ， 提 高 强 可 如
锡 须生 长主 要 由于发生 氧化 反应 ， 为锡 须生 长提供
了锡原 子 ， 化反应 的速 度和 程度决 定锡 须生 长 的 氧
胀， 由于周 围 Ｓ ｎ基 体 对 氧 化 产 物 的 约 束 ， 由此 引
起 Ｓ－ ｎ ＲＥ金 属 间化 合 物 中产生 局 部 压 应力 ， 导致
速度． 因此 ， 软钎焊 焊 点表面 的锡须 生长 机制 ， 以 可