本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種快速評(píng)價(jià)Sn基釬料Sn晶須生長傾向的方法。

背景技術(shù)：
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金屬晶須問題被科學(xué)界廣泛關(guān)注始于第二次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束的時(shí)候。當(dāng)時(shí)Cd是被普遍用于電子元件的表面鍍層材料，1946年，Cobb首次觀察到足以引起短路的鎘晶須。時(shí)至今日，晶須尤其是Sn晶須仍然被關(guān)注。

雖然目前對(duì)于晶須生長機(jī)理尚沒有達(dá)成完全的共識(shí)，不過目前普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為內(nèi)部壓應(yīng)力是晶須生長主要?jiǎng)恿χ弧＞ы毶L所需壓應(yīng)力來源于以下幾方面：1、鍍層制備過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；2、機(jī)械作用過程產(chǎn)生的應(yīng)力；3、Sn層和Cu層的原子互擴(kuò)散及Sn原子和Cu原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Cu₆Sn₅金屬間化合物而產(chǎn)生的應(yīng)力；4、電子設(shè)備使用過程中焊點(diǎn)電遷移導(dǎo)致原子遷移、金屬間化合物富集而產(chǎn)生的應(yīng)力；5、熱循環(huán)過程中不同層之間形成的熱應(yīng)力。其中，殘余應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力一般被認(rèn)為無法提供維持晶須生長所需的持續(xù)應(yīng)力，只有化學(xué)反應(yīng)才能為晶須的生長提供源源不斷的能量。K.N.Tu所提出的Sn和Cu間的原子擴(kuò)散形成Cu₆Sn₅進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力的理論成為近幾年來的研究熱點(diǎn)。其機(jī)理是Cu原子向Sn層的擴(kuò)散率大于Sn原子向Cu層的擴(kuò)散率，因而引起Cu原子向Sn層的凈擴(kuò)散，Sn層的Cu原子與Sn原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Cu₆Sn₅金屬間化合物，并在Sn晶界處淀積，由此在此晶界處產(chǎn)生壓應(yīng)力。此時(shí)，當(dāng)Sn層表面的氧化層存在缺陷或裂紋，Sn晶須就會(huì)在內(nèi)部壓應(yīng)力的作用下從缺陷或裂紋處生長出來，局部松弛和釋放內(nèi)部壓應(yīng)力。

Sn晶須的危害主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，電子產(chǎn)品在封裝過程中，通常要在元器件的引腳表面鍍一層Sn或Sn基合金釬料以增強(qiáng)回流過程中引腳鍍層與釬料的潤濕性能。人們很早就發(fā)現(xiàn)各種基板和鍍層的組合在某些條件下會(huì)再表面長出直徑幾個(gè)微米、長度幾個(gè)微米到幾百微米的晶須。當(dāng)晶須的長度達(dá)到引腳間距時(shí)，會(huì)造成相鄰引腳間暫時(shí)性或永久性斷路。其二，對(duì)高密度封裝造成潛在威脅。隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，封裝密度越來越高，F(xiàn)C封裝中互連焊點(diǎn)的直徑達(dá)到了25μm、節(jié)距為50μm。由于節(jié)距減小，增加了晶須生長導(dǎo)致短路的可能性。此外，消費(fèi)類電子產(chǎn)的電壓越來越小，使得短路的晶須在低電壓下難以熔斷，最終造成永久性的短路。

以Sn基合金為主體材料的封裝和表面鍍層工藝在電子工業(yè)仍處于無法被取代的地位，隨著封裝密度的提高，晶須所帶來的隱患也越嚴(yán)重。因此，對(duì)Sn晶須的相關(guān)研究工作一直受到工業(yè)界的關(guān)注。由于晶須的生長具有偶然性和長期性，使得至今仍然沒有一種快速可行的方法來評(píng)價(jià)各種Sn基釬料的晶須生長傾向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的困難，本發(fā)明提供一種快速評(píng)價(jià)Sn基釬料Sn晶須生長傾向的方法，本發(fā)明通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)選用厚度為1mm-5mm的板狀純Mg并去除Mg表面的氧化膜和油污，將Sn基釬料壓制成厚度為150μm-600μm的Mg/Sn基釬料片；

(2)將Mg板和步驟(1)制得的釬料片，以Mg/Sn基釬料片/Mg三明治結(jié)構(gòu)疊放，施加間隙固定裝置，使上下Mg板間的距離在釬料熔融后保持為100μm-500μm；

(3)將步驟(2)的三明治結(jié)構(gòu)材料加熱至高于釬料液相線5-30℃，同時(shí)施加3-20秒超聲波震動(dòng)，之后迅速將釬料溫度降低至固相線以下；

(4)將釬焊接頭沿橫截面方向切開，將橫截面在砂紙上打磨后進(jìn)行拋光處理；

(5)將試樣保存在室溫干燥的環(huán)境中，Sn晶須短時(shí)間內(nèi)在焊縫表面出現(xiàn)并迅速生長，將新生成Mg₂Sn所產(chǎn)生的應(yīng)力全部釋放后晶須基本停止生長。

所述純鎂板可由Mg含量90％以上的Mg合金替換。

所述超聲波頻率為15～100kHz、振幅為3～20μm，超聲波可直接施加在三明治結(jié)構(gòu)上方也可通過模具傳導(dǎo)間接施加。頻率和振幅的選擇主要取決于試樣的結(jié)構(gòu)與厚度，一般來講，試樣越厚、超聲加載離焊縫越遠(yuǎn)則頻率和振幅約大。對(duì)于同一結(jié)構(gòu)試樣，適當(dāng)?shù)奶岣哳l率和振幅會(huì)增加晶須生長速度和密度。其原因在于：提高頻率和振幅會(huì)增加Mg元素向Sn基釬料的擴(kuò)散，進(jìn)而增加以固溶形式存在的Mg的含量，因此增加晶須生長的應(yīng)力源。

所述室溫干燥的環(huán)境為溫度20～25℃，相對(duì)濕度30-45％RH。也可根據(jù)焊點(diǎn)服役實(shí)際環(huán)境制定試樣存放條件。Sn在100℃以上的環(huán)境中容易發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶從而釋放釬料層內(nèi)部的應(yīng)力、抑制了晶須的快速生長，因此，試樣的存放溫度通常以85℃為上限。

其中，所述短時(shí)間是指2-12小時(shí)內(nèi)試樣表面出現(xiàn)晶須，隨后的幾十天甚是更長的時(shí)間內(nèi)晶須長度不斷增加，直至釬料內(nèi)部應(yīng)力消除后晶須停止生長。

由于本發(fā)明目的在于評(píng)價(jià)Sn基釬料Sn晶須生長傾向，故Sn基釬料包括封裝領(lǐng)域所涉及的Sn基二元、三元、多元釬料。所述二元釬料如Sn-Cu釬料，具體的，Sn-0.7Cu等，所述三元釬料如Sn-Ag-Cu釬料，具體的，Sn-3Ag-0.5Cu等。

本發(fā)明的原理和有益效果包括：

(1)在超聲波作用下，Sn基釬料中Sn原子與Mg原子反應(yīng)在界面處生成Mg₂Sn，并有一部分Mg₂Sn在超聲作用下彌散分布在釬料中，Sn基釬料與Mg板形成冶金結(jié)合，三明治結(jié)構(gòu)形成Mg/Sn基釬料/Mg的超聲輔助釬焊接頭。

(2)在超聲輔助釬焊過程中，由于超聲波的超聲空化作用，大量的Mg原子進(jìn)入熔融狀態(tài)的Sn基釬料中，其中的大部分Mg原子與釬料中的Sn原子反應(yīng)生成Mg₂Sn，由于超聲結(jié)束后釬焊接頭迅速降溫，致使一部分Mg原子還未與Sn原子反應(yīng)并以固溶的形式存在于凝固的焊縫中，由于Mg原子在Sn中的固溶度極低，因此凝固后焊縫中的Mg原子處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，并迅速與Sn原子形成新的Mg₂Sn以達(dá)到熱力學(xué)平衡，并同時(shí)產(chǎn)生體積膨脹，在焊縫內(nèi)形成應(yīng)力。

(3)采用同一參數(shù)制備的Mg/Sn基釬料/Mg釬焊接頭內(nèi)部新生成的Mg₂Sn數(shù)量相似，即焊縫內(nèi)部應(yīng)力基本相同，根據(jù)不同Sn基釬料所生長的Sn晶須長度及數(shù)量的差別，可比較不同的Sn基釬料在相同應(yīng)力作用下Sn晶須生長傾向，為電子工業(yè)封裝用Sn基釬料的選擇提供重要的可靠性參數(shù)。

附圖說明

圖1為Mg/Sn基釬料/Mg超聲輔助釬焊接頭制備過程示意圖。

圖2為實(shí)施例1所制備Mg/Sn/Mg焊縫表面晶須生長形貌。

圖3為實(shí)施例2所制備Mg/Sn-0.7Cu/Mg焊縫表面晶須生長形貌。

圖4為實(shí)施例3所制備Mg/Sn-3Ag-0.5Cu/Mg焊縫表面晶須生長形貌。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1：

如圖1和2所示，選用3mm厚純Mg板，將純Sn釬料壓制成厚度為300μm的釬料片，焊縫寬度為200μm，將Mg/Sn/Mg三明治結(jié)構(gòu)使用感應(yīng)加熱至240℃，使用頻率為20KHz，振幅為8μm的超聲波作用15s。試樣打磨拋光后置于室溫環(huán)境(溫度20～25℃，相對(duì)濕度30-45％RH)，Sn晶須于拋光后2-4小時(shí)出現(xiàn)，隨后快速生長。

實(shí)施例2：

如圖1和3所示，選用2mm厚純Mg板，將Sn-0.7Cu釬料壓制成厚度為400μm的釬料片，焊縫寬度為300μm，將Mg/Sn/Mg三明治結(jié)構(gòu)使用感應(yīng)加熱至240℃，使用頻率為20KHz，振幅為5μm的超聲波作用12s。試樣打磨拋光后置于室溫環(huán)境(溫度20～25℃，相對(duì)濕度30-45％RH)，Sn晶須于拋光后2-4小時(shí)出現(xiàn)，隨后快速生長。

實(shí)施例3：

如圖1和4所示，選用5mm厚純Mg板，將Sn-3Ag-0.5Cu釬料壓制成厚度為200μm的釬料片，焊縫寬度為150μm，將Mg/Sn/Mg三明治結(jié)構(gòu)使用感應(yīng)加熱至230℃，使用頻率為25KHz，振幅為10μm的超聲波作用6s。試樣打磨拋光后置于室溫環(huán)境(溫度20～25℃，相對(duì)濕度30-45％RH)，Sn晶須于拋光后2-4小時(shí)出現(xiàn)，隨后快速生長。

實(shí)施例4：

選用3mm厚純Mg板，將Sn-3Ag-0.5Cu釬料壓制成厚度為500μm的釬料片，焊縫寬度為400μm，將Mg/Sn/Mg三明治結(jié)構(gòu)使用感應(yīng)加熱至230℃，使用頻率為20KHz，振幅為8μm的超聲波作用8s。試樣打磨拋光后置于室溫環(huán)境(溫度20～25℃，相對(duì)濕度30-45％RH)，Sn晶須于拋光后2-4小時(shí)出現(xiàn)，隨后快速生長。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所做的進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但是不表示本發(fā)明的具體實(shí)施是局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬拘束領(lǐng)的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或是替換，都應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。