焊点液固界面的反应

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ch10.2 物理化学固-液界面

⑴ 沾湿 ⑵ 浸湿 ⑶ 铺展
对润湿的判断
接触角θ可由实验测定。习惯上人们用接触角的大小来衡量液体对固体是否润湿及润湿性能的好坏。讲四点: ⑴ 若θ <90°称液体能湿润固体，cosθ>0，此时必有 γs>γls，且称此时的固体为亲液固体。例如水-玻璃，水-棉布。 ⑵ 若θ>90 °称液体不能润湿固体，cosθ<0，此时必有 γs<γls称此时的固体为憎液固体。例如水-石蜡，水银-玻璃。 ⑶ 若θ→0°，称液体对固体完全润湿，液体几乎在固体表面完全铺展开，cosθ→1。可见，接触角愈小，液体对固体的润湿性能愈好。 ⑷ 液体在亲液固体的毛细管中，液面必是凹形；液体在憎液固体的毛细管中，液面必是凸形。
1.接触角与杨氏方程
在气、液、固三相接触点,固-液界面的水平线与气-液界面切线之间通过液体内部的夹角θ,称为接触角.
当这三种力处于平衡状态时，存在以下关系：
s ls l cos
杨氏方程
2. 润湿程度的分类
润湿是固体表面上的气体被液体取代的过程。
按照润湿程度的深浅，可将润湿分为三个级别：
§10.2 固-液界面

接触角与杨氏方程润湿程度的分类接触角（润湿角）与润湿性能的衡量 P486
对于液-固界面，在日常生活和生产活动中，会遇到各种润湿现象。所谓润湿现象是指液体对固体的润湿。随着液体和固体各自表面性质的不同，液体对固体的润湿程度也不同。比如水滴在荷花叶子上呈球形，不太润湿；而水滴在干净的玻璃上却能铺展开，形成一层水膜；棉布易吸水，被水润湿，而尼龙布则不易被水润湿；焊接电子元件时，烙铁上、元件接头上如果不使用松香，则焊锡不易粘附，易脱落等等。这些都是与液体对固体的润湿现现象在生产实践中有着广泛的应用。人们往往在液体中或固体中加入一定的添加剂，来调节各种界面（表面）张力的大小，从而改变接触角，改变液体对固体的润湿程度。

Sn-9Zn焊点液—固电迁移反极性效应研究的开题报告

Sn-9Zn焊点液—固电迁移反极性效应研究的开题报告研究题目：Sn-9Zn焊点液—固电迁移反极性效应研究一、背景及意义焊接技术在工业生产中发挥着不可替代的作用，而Sn-9Zn是一种常用的焊接材料。

然而，随着电子器件的不断进化和高密度集成，尺寸越来越小，对焊接技术的要求更高。

同时，在高温、潮湿的环境下容易发生焊点失效，影响设备的性能和可靠性。

因此，研究焊点液—固电迁移现象和反极性效应，对于提高焊接技术的性能和可靠性具有重要意义，也是目前热门的研究方向。

二、研究目的1. 系统研究Sn-9Zn焊点液—固电迁移反极性效应的规律和机理。

2. 探究不同工艺参数对焊点液—固电迁移现象和反极性效应的影响。

3. 提出一种可行的Sn-9Zn焊接材料及工艺方案，以保证焊接质量和可靠性。

三、研究内容1. Sn-9Zn焊点液—固电迁移现象的测试和分析，包括电子探针分析、SEM观察等。

2. 焊点反极性效应的测试和分析，研究其机理、规律。

3. 研究不同工艺参数（如温度、湿度、电流密度等）对Sn-9Zn焊点液—固电迁移反极性效应的影响。

4. 提出一种可行的Sn-9Zn焊接材料及工艺方案，以提高焊接质量和可靠性。

四、研究方法和技术路线1. Sn-9Zn焊点液—固电迁移现象的测试和分析采用SEM观察和电子探针分析等方法。

2. 焊点反极性效应的测试和分析采用相应的实验方法和测试设备。

3. 研究不同工艺参数对焊点液—固电迁移反极性效应的影响采用正交试验等实验方法。

4. 提出Sn-9Zn焊接材料及工艺方案，结合实验数据进行方案优选。

五、预期成果1. 系统研究Sn-9Zn焊点液—固电迁移反极性效应规律和机理。

2. 探究不同工艺参数对焊点液—固电迁移现象和反极性效应的影响。

3. 提出一种可行的Sn-9Zn焊接材料及工艺方案，以提高焊接质量和可靠性。

六、可行性分析1. Sn-9Zn焊接材料是目前应用最广泛的焊接材料之一，具有广阔的应用前景和市场需求。

第四章.液-固界面及现象

Cosθ 随着浮选剂浓度的增润湿角θ也增加也增加，加，润湿角也增加，疏水性增加。疏水性增加。Cosθ减减小，将Cosθ对浮选剂对浮选剂浓度作图可得如图所示的情况。示的情况。这就是润Ｃｎ湿等温线。湿等温线。
0
当Cosθ＝0时，浮选剂在矿苗表面上达到饱和吸附，＝时浮选剂在矿苗表面上达到饱和吸附，其表面完全疏水化。与其对应的浓度称为特征浓度。其表面完全疏水化。与其对应的浓度称为特征浓度。这时气体产生气泡，易与疏水的矿苗结合，矿苗便这时气体产生气泡，易与疏水的矿苗结合，浮于水面。浮于水面。Ｃｎ作为特征浓度，Ｃｎ作为特征浓度，该值减小表明相应的浮选剂越作为特征浓度好。
原理：浮选剂如磺原酸钠（ROCSSNa）为表面活性原理：浮选剂如磺原酸钠（）剂。分子一端是极性基，另一端为非极性基，它与分子一端是极性基，另一端为非极性基，矿苗（表面亲水）接触时，其亲水基便与矿苗表面矿苗（表面亲水）接触时，结合，被吸附在矿苗上，达到饱和时，结合，被吸附在矿苗上，达到饱和时，矿苗表面被包上了一层由表面活性剂组成的表面膜。包上了一层由表面活性剂组成的表面膜。该膜的外侧为憎水基团。侧为憎水基团。于是整个矿苗就由亲水变成疏水的了。
润湿的应用极性大的固体表面容易被极性液体（水）润湿，习极性大的固体表面容易被极性液体（润湿，惯上称为亲水。非极性固体不能被水润湿（惯上称为亲水。非极性固体不能被水润湿（也叫憎水）。但润湿情况是可以被调节的。但润湿情况是可以被调节的。如玻璃易被水润湿，如玻璃易被水润湿，但却不易被逆性肥皂的稀水溶液润湿，液润湿，这是因为玻璃表面吸附了反电荷的逆性肥皂离子的缘故。皂离子的缘故。

液态金属加工中的界面反应与润湿行为

液态金属加工是一种广泛应用于各种工业领域的工艺，其中包括金属铸造、模具制造和微电子制造等。

在这个过程中，液态金属与其接触的表面之间的相互作用，包括界面反应和润湿行为，是影响加工质量的关键因素。

首先，让我们来理解一下液态金属的特性。

液态金属是一种具有高流动性和扩散性的物质，其反应性取决于其成分和环境条件。

当液态金属与表面接触时，可能会发生一系列的化学和物理反应，这些反应可能会影响金属的特性，如硬度、强度和耐腐蚀性。

润湿行为是液态金属与表面相互作用的结果。

如果液态金属能够均匀地铺展在表面上，我们称之为完全润湿。

然而，如果液态金属无法均匀地铺展，而是形成小滴或气泡，我们称之为不完全润湿。

润湿行为取决于液体的表面张力、接触角以及表面的性质。

在液态金属加工中，界面反应和润湿行为的影响是双向的。

一方面，它们影响加工的质量和效率。

如果润湿行为不佳，液态金属可能无法均匀地覆盖表面，导致模具或铸造模型的不均匀，进而影响产品质量。

另一方面，界面反应可能会改变液态金属的特性，如硬度、强度和耐腐蚀性，这可能会影响产品的使用寿命。

为了优化液态金属加工过程中的界面反应和润湿行为，我们可以采取一些措施。

首先，选择合适的表面材料可以降低界面反应的可能性。

其次，可以通过改变液态金属的成分或环境条件来调整其润湿行为。

最后，对加工过程中的参数进行实时监测和调整，以确保最佳的加工效果。

总的来说，液态金属加工中的界面反应和润湿行为是影响加工质量的关键因素。

通过了解这些相互作用，我们可以优化加工过程，提高产品质量，同时降低生产成本。

未来，随着科学技术的进步，我们有望开发出更先进的液态金属加工技术，以满足更高层次的生产需求。

液-液界面反应 -回复

液-液界面反应-回复液液界面反应是指在两种液体相接触的界面上发生的化学反应。

这种反应通常发生在两种互不溶的液体混合的情况下，具有重要的实际应用价值。

本文将一步一步回答有关液液界面反应的问题，以帮助读者更好地理解和应用这一概念。

第一步：了解液液界面反应的基本概念液液界面反应是指在液体相接触的界面上发生的化学反应。

这一概念最早由德国化学家奥斯瓦尔德提出，并在德国化学家纳奥恩和英国化学家纳维尔的研究中得到了进一步发展。

液液界面反应的最大特点是，反应发生在两种互不溶的液体相接触的界面上，体现了界面的特殊性质和活性。

第二步：理解液液界面反应的原理液液界面反应的原理可以从两方面解释：界面活性物质和界面反应速率。

界面活性物质是一类可以积聚在液液界面上的物质，其作用是降低表面张力，促进两液体相接触并发生反应。

同时，界面活性物质还可以形成微泡或胶体等，提供更大的反应界面积。

而界面反应速率则与界面的特殊结构有关，液液界面上的分子在限制性环境下发生反应，由于界面对传质的限制作用，可以加快反应的进行。

第三步：探索液液界面反应的实际应用液液界面反应在许多领域都有重要的实际应用。

例如，界面反应可以用于制备新型功能材料，通过在液液界面上的反应，形成具有特殊结构和性能的材料，例如纳米材料、多孔材料等。

同时，液液界面反应也可以用于分离和提取研究，通过反应促进两种相的物质转移并实现分离或提取。

第四步：分析液液界面反应的动力学特征液液界面反应的动力学特征包括界面反应速率和界面反应平衡。

界面反应速率可以通过表面活性物质的浓度、反应物浓度、温度等因素来调控。

而界面反应平衡则与反应物浓度、温度和液液界面的亲疏性有关，通过改变这些因素可以调控反应达到平衡状态。

第五步：总结液液界面反应的优缺点液液界面反应具有许多优点，例如反应速度快、能耗低、产物纯度高等。

同时，液液界面反应也存在一些问题，例如界面分离困难、反应选择性有限、反应机理复杂等。

因此，在实际应用中，需要综合考虑液液界面反应的优势和局限性，采取适当的策略来优化反应条件。

固液界面化学反应机理

固液界面化学反应机理固液界面化学反应是指在固液界面上进行的化学反应。

它具有重要的应用价值，如在能源转换、环境控制、材料制备、生命科学等领域。

固液界面化学反应的机理包括吸附、表面化学、界面扩散、反应动力学等多个方面。

一、吸附过程在固液界面化学反应中，吸附过程是首先发生的。

吸附是指分子或离子与一种固体表面相互作用以形成一个化学吸附层的过程。

吸附现象对于固液界面化学反应机理的研究至关重要。

吸附过程可以通过浸润实验和吸附等温线来研究。

具体而言，浸润实验是通过将液体缓慢滴入固体表面，观察其润湿情况来确定吸附现象。

而吸附等温线则是通过测量在一定温度下吸附剂与固体表面吸附的平衡浓度，获得吸附等温线。

二、表面化学表面化学是指化学在分界面或界面区域中发生的各种化学反应。

此处的“化学反应”包括化学键的形成与断裂、化学吸附等等。

这些反应很大程度上影响了固液界面的性质。

表面化学方法可以通过表面活性剂和表面电荷密度的研究来表征，也可以通过X射线光电子能谱等技术来研究。

三、界面扩散界面扩散是指在固液界面上，溶液中的物质从液相向固相的扩散过程。

固液界面中存在着液相分子和固相分子间的接触，因而使得溶液中的物质向固相扩散。

界面扩散过程对于固液界面化学反应过程的影响非常明显，因此，在固液界面化学反应论文中几乎都会涉及界面扩散。

四、反应动力学反应动力学是指化学反应过程中，反应物消耗或生成的速度以及化学反应机制的研究。

在固液界面化学反应中，反应动力学是研究液-固反应过程速率的一个方面。

它的研究旨在了解物质扩散和反应速率的规律，提高反应速率和反应效率并探究化学反应的机理。

总之，固液界面化学反应机理的研究对于理解固液界面交互作用、提高反应速率和效率以及探究化学反应机理方面具有重要的实用价值。

在固液界面化学反应的研究中，需要系统的考虑吸附、表面化学、界面扩散和反应动力学等多个方面。

固液界面反应法制备针状草酸钴粉体

固液界面反应法制备针状草酸钴粉体何显达;叶红齐;蒯勤;周永华;许开华【摘要】以钴粉和草酸(H2C2O4)为原料,采用固液界面反应法制备针状草酸钴(Co2C2O4·2H2O)粉体.用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和激光粒度仪对粉体进行表征,研究反应温度、钴粉浓度、草酸与钴粉的计量比以及无机酸的种类和用量对草酸钴粉体的形貌和长径比的影响.结果表明,反应温度为30℃时草酸钴粉体多为颗粒状;温度升高到70℃时,草酸钴针状粉体团聚严重;随反应物浓度增加,针状草酸钴粉体的长度有所减小;加入少量硝酸可使粉体长径比增大.在反应温度为50℃,草酸与钴粉的计量比(物质的量比)为2.5:1,硝酸添加量为0.05 mol/L的条件下,针状草酸钴粉体的长径比达40.【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》【年(卷),期】2011(016)002【总页数】6页(P237-242)【关键词】针状草酸钴;钴粉;固液界面反应法【作者】何显达;叶红齐;蒯勤;周永华;许开华【作者单位】中南大学化学化工学院,长沙,410083;深圳市格林美高新技术股份有限公司,深圳,518116;中南大学化学化工学院,长沙,410083;中南大学化学化工学院,长沙,410083;中南大学化学化工学院,长沙,410083;深圳市格林美高新技术股份有限公司,深圳,518116【正文语种】中文【中图分类】TF123草酸钴是生产钴粉及其氧化物的传统原料[1-3]，最近的研究表明草酸钴也是性能优异的功能材料[4-5]。

草酸钴粉体通常由液相沉淀法制备[6-7]，该法用可溶性钴盐和草酸或草酸铵配制原料液，采取液液混合方式实现反应，具有工艺简单，反应快和成本低等优点。

然而，液相沉淀法制备的草酸钴粒径较大，且形貌不容易精确控制。

虽然添加表面活性剂[6]，采用固体加料方式[8]，引入脉冲电磁场[9]，利用微波辅助[10]，有助于减小粉体粒径；添加氯化铵[11]可以适当控制颗粒的形貌，但研究结果仍然不够令人满意，即在传统的液液混合条件下不易制得形貌可控的细颗粒粉体。

Cu-Ni交互作用对Cu_Sn_Ni焊点液-固界面反应的影响

第 23 卷第 4 期中国有色金属学报 2013 年 4 月 V ol.23 No.4 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Apr. 2013 文章编号：10040609(2013)04107306CuNi 交互作用对 Cu/Sn/Ni 焊点液−固界面反应的影响黄明亮 1,2 ，陈雷达 1, 2 ，赵宁 1,2(1. 大连理工大学材料科学与工程学院，大连 116024；2. 大连理工大学辽宁省先进连接技术重点实验室，大连 116024)摘要：研究 Cu/Sn/Ni 焊点在 250 ℃液−固界面反应过程中 CuNi 交互作用对界面反应的影响。

结果表明：液− 固界面反应10 min后，CuNi交互作用就已经发生，Sn/Cu及Sn/Ni界面金属间化合物(IMCs)由浸焊后的Cu6Sn5 和Ni3Sn4 均转变为(Cu,Ni)6Sn5，界面IMCs形貌也由扇贝状转变为短棒状。

在随后的液−固界面反应过程中，两界面 IMCs 均保持为(Cu,Ni)6Sn5 类型，但随着反应的进行，界面IMC 的形貌变得更加凸凹不平。

Sn/Cu 和 Sn/Ni界面IMCs厚度均随液−固界面反应时间的延长不断增加，界面IMCs生长指数分别为0.32和0.61。

在液−固界面反应初始阶段，Sn/Cu界面IMC的厚度大于Sn/Ni界面IMC的厚度；液−固界面反应2 h后，由于CuNi交互作用， Sn/Cu界面IMC的厚度要小于Sn/Ni界面IMC的厚度，并在液−固界面反应6 h后分别达到15.78和23.44 μm。

关键词：CuNi交互作用；液−固界面反应；Cu/Sn/Ni焊点；金属间化合物中图分类号：TG425.1 文献标志码：AEffect of CuNi crosssolder interaction onliquidsolid interfacial reaction in Cu/Sn/Ni solder jointHUANG Mingliang 1, 2 , CHEN Leida 1, 2 , ZHAO Ning 1, 2(1. School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. Key Laboratory of Liaoning Advanced Welding and Joining Technology, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China)Abstract: The effect of CuNi crosssolder interaction on liquidsolid interfacial reaction in Cu/Sn/Ni solder joint at 250 ℃ was investigated. The results show that the CuNi crosssolder interaction occurs after liquidsolid reaction for 10 min, the initial Cu6Sn5 and Ni3Sn4 form during immersing soldering at the Sn/Cu and Sn/Ni interfaces, and both transform into (Cu,Ni)6Sn5, their morphologies change from scallop shape to rod shape. With increasing reaction time, the interfacial IMCs remain as (Cu,Ni)6Sn5, while their morphologies become more uneven. The IMCs at the Sn/Cu and Sn/Ni interfaces grow thicker with increasing reaction time, and their growth indexes are 0.32 and 0.61, respectively. At the beginning of the liquidsolid reaction, the Sn/Cu interfacial IMC is thicker than the Sn/Ni interfacial IMC. However, after liquidsolid reaction for 2 h, the result reverses due to the CuNi crosssolder interaction, and the thicknesses reach 15.78 and 23.44 μm after reaction for 6 h, respectively.Key words: CuNi crosssolder interaction; Cu/Sn/Ni solder joint; liquidsolid interfacial reaction; intermetallic compound电子封装技术中 Cu 作为倒装芯片凸点下金属层 (UBM)被广泛使用，但是，大量的研究表明，钎料凸点与Cu基UBM的反应速率很快，在钎焊过程中会形成一层较厚的金属间化合物(IMC)，严重影响微小焊基金项目：国家自然科学基金资助项目(51171036)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120041120038) 收稿日期：20120711；修订日期：20121230通信作者：黄明亮，教授，博士；电话：041184706595；Email: huang@中国有色金属学报 2013 年4 月 1074点的可靠性 [1−2] 。

液-固界面现象

液-固界面现象1. 粘附功、浸湿功、铺展系数 1）.粘附功：在恒温恒压可逆条件下，将气-液与气-固界面转变成液-固界面，如图所示：设当各个界面都是单位面积时，从热力学得角度，该过程的吉布斯自由能的变化值为：式中、和分别为气-固、气-液和液-固的表面吉布斯自由能。

Wa称为粘附功（Work of adhension),它是液、固粘附时，体系对外所做的最大功。

Wa值越大，液体愈容易润湿固体，液、固界面结合得愈牢固。

对于两个同样的液面转变成一个液柱的过程，吉布斯自由能变化为：Wc称为内聚功（Work of cohesion),是液体本身结合牢固程度的一种量度。

2）.浸湿功：在恒温恒压可逆条件下，将具有单位表面积的固体浸入液体中，气-固界面转变成液-固界面（在过程中液体的界面没有变化），如图所示：该过程的吉布斯自由能的变化值为：Wi称为浸湿功（Work of immersion),它是液体在固体表面上取代气体能力的一种量度，有时也被用来表示对抗液体表面收缩而产生的浸湿能力，故Wi又称为粘附张力。

Wi≥0是液体浸湿固体的条件。

3）.铺展系数：铺展过程是表示当液-固界面在取代气-固界面的同时，气-液界面也扩大了同样的面积，如图所示：在恒温恒压下可逆铺展一单位面积时，体系吉布斯自由能的变化值为：式中S称为铺展系数（Spreading coefficient），当S≤0时，液体可以在固体表面自动铺展。

2. 接触角与润湿作用 1）.接触角设液体在固体表面上形成液滴，形成如下图所示的液滴到达平衡时，在气、液、固三相交界处，气-液界面和固-液界面之间的夹角称为接触角（contact angle)，用θ表示。

它实际是液体表面张力和液-固界面张力间的夹角。

接触角的大小是由在气、液、固三相交界处，三种界面张力的相对大小所决定的。

从接触角的数值可看出液体对固体润湿的程度。

2）.润湿作用：当、和达平衡时以下关系：上述方程称为杨（Young)方程。

Cu核微焊点液-固界面反应及剪切行为研究

Cu核微焊点液-固界面反应及剪切行为研究钱帅丞;陈湜;乔媛媛;赵宁【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2024(43)3【摘要】相较于传统Sn基焊点,Cu核焊点具备更好的导热性、导电性及力学性能。

为揭示尺寸效应对Cu核焊点界面反应及剪切强度的影响,制备了不同Sn镀层厚度的Cu核焊点(Cu@Ni-Sn/Cu)。

观察回流不同时间后Cu核微焊点横截面微观组织,研究了Cu核微焊点在尺寸效应下的液-固界面反应。

之后对Cu核微焊点进行剪切测试,结合断口形貌,分析断裂机理。

界面反应结果表明:Cu@Ni-Sn/Cu焊点在250℃回流时,Sn/Ni界面生成Ni含量较高的针状(Cu,Ni)_(6)Sn_(5)IMC,Sn/Cu界面生成Ni含量较低的层状(Cu,Ni)_(6)Sn_(5)IMC。

剪切测试结果表明:随着Sn镀层厚度增加,Cu@Ni-Sn/Cu焊点的剪切强度先增大后减小。

基于Sn镀层厚度对界面(Cu,Ni)_(6)Sn_(5)IMC层体积的直接影响,Sn层厚度的增加提升了焊点剪切强度。

然而Cu@Ni-Sn(60μm)/Cu焊点中Cu核位置的偏移,造成剪切强度略有降低。

【总页数】7页(P367-373)【作者】钱帅丞;陈湜;乔媛媛;赵宁【作者单位】大连理工大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TN406;TG425.1【相关文献】1.温度梯度对Cu/Sn/Cu微焊点界面反应和剪切强度的影响2.微焊点Cu/SAC305/Cu固-液界面反应及电迁移行为3.CuNi 交互作用对 Cu/Sn/Ni 焊点液-固界面反应的影响4.温度梯度对Cu/Sn/Cu微焊点界面反应和剪切强度的影响5.热迁移对Cu/Sn/Cu焊点液-固界面Cu_6Sn_5生长动力学的影响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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电子封装技术中 Cu 作为倒装芯片凸点下金属层 (UBM)被广泛使用，但是，大量的研究表明，钎料凸
点与 Cu 基 UBM 的反应速率很快，在钎焊过程中会形成一层较厚的金属间化合物(IMC)，严重影响微小学科点专项科研基金资助项目(20120041120038) 收稿日期：2012-07-11；修订日期：2012-12-30 通信作者：黄明亮，教授，博士；电话：0411-84706595；E-mail: huang@
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中国有色金属学报
2013 年 4 月
点的可靠性[1−2]。Ni 与钎料凸点的反应速率远远低于 Cu 和钎料凸点的反应速率，因此， Ni 作为 UBM 也广泛应用在电子封装芯片互连技术中
[3]
以增加润湿性并避免钎焊孔洞出现。在 Cu 块和 Ni 块之间放置两根直径为 200 μm 的不锈钢丝以控制焊点间距，将固定好的试样浸入 300 g 液态纯 Sn 中进行钎焊，钎焊温度为 260 ˚C、时间为 10 s。然后，将试样立即取出并水冷至室温。将钎焊后的试样线切割加工制成横截面尺寸约为 600 μm×600 μm 的条状试样，最后再将这些条状试样的 4 个侧面分别进行预磨抛光处理制备成横截面尺寸为 300 μm×300 μm 的线性焊点。图 1 所示为 Cu/Sn/Ni 线性焊点的液−固界面反应装置示意图。液−固界面反应实验在油浴中进行，将线性焊点水平放置在矩形玻璃上，用密封胶将试样固定在载玻片上，然后用特制的金属夹具进行固定，最后将整个装置放入温度为 250 ℃的油浴中进行液−固界面反应，反应时间分别为 10 min、 30 min、 1 h、 2 h、 4 h 和 6 h。
1 实验
采用浸焊的方法来制备 Cu/Sn/Ni 线性焊点。先将 Cu 块和 Ni 块(5 mm×7 mm×12 mm)的端面(5 mm×7 mm)进行预磨、抛光，然后电镀一层 3 μm 厚的 Sn，
2 结果与分析
图 2 所示为 Cu/Sn/Ni 焊点在 260 ˚C 下浸焊反应
第 23 卷第 4 期
Effect of Cu-Ni cross-solder interaction on liquid-solid interfacial reaction in Cu/Sn/Ni solder joint
HUANG Ming-liang1, 2, CHEN Lei-da1, 2, ZHAO Ning1, 2 (1. School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Key Laboratory of Liaoning Advanced Welding and Joining Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China) Abstract: The effect of Cu-Ni cross-solder interaction on liquid-solid interfacial reaction in Cu/Sn/Ni solder joint at 250 ℃ was investigated. The results show that the Cu-Ni cross-solder interaction occurs after liquid-solid reaction for 10 min, the initial Cu6Sn5 and Ni3Sn4 form during immersing soldering at the Sn/Cu and Sn/Ni interfaces, and both transform into (Cu,Ni)6Sn5, their morphologies change from scallop shape to rod shape. With increasing reaction time, the interfacial IMCs remain as (Cu,Ni)6Sn5, while their morphologies become more uneven. The IMCs at the Sn/Cu and Sn/Ni interfaces grow thicker with increasing reaction time, and their growth indexes are 0.32 and 0.61, respectively. At the beginning of the liquid-solid reaction, the Sn/Cu interfacial IMC is thicker than the Sn/Ni interfacial IMC. However, after liquid-solid reaction for 2 h, the result reverses due to the Cu-Ni cross-solder interaction, and the thicknesses reach 15.78 and 23.44 μm after reaction for 6 h, respectively. Key words: Cu-Ni cross-solder interaction; Cu/Sn/Ni solder joint; liquid-solid interfacial reaction; intermetallic compound
固界面反应 10 min 后，Cu-Ni 交互作用就已经发生，Sn/Cu 及 Sn/Ni 界面金属间化合物(IMCs)由浸焊后的 Cu6Sn5 和 Ni3Sn4 均转变为(Cu,Ni)6Sn5，界面 IMCs 形貌也由扇贝状转变为短棒状。在随后的液−固界面反应过程中，两界面 IMCs 均保持为(Cu,Ni)6Sn5 类型，但随着反应的进行，界面 IMC 的形貌变得更加凸凹不平。Sn/Cu 和 Sn/Ni 界面 IMCs 厚度均随液−固界面反应时间的延长不断增加，界面 IMCs 生长指数分别为 0.32 和 0.61。在液−固界面反应初始阶段，Sn/Cu 界面 IMC 的厚度大于 Sn/Ni 界面 IMC 的厚度；液−固界面反应 2 h 后，由于 Cu-Ni 交互作用， Sn/Cu 界面 IMC 的厚度要小于 Sn/Ni 界面 IMC 的厚度，并在液−固界面反应 6 h 后分别达到 15.78 和 23.44 μm。关键词：Cu-Ni 交互作用；液−固界面反应；Cu/Sn/Ni 焊点；金属间化合物中图分类号：TG425.1 文献标志码：A
[7−9] [4−6]
。
近年来，国内外对 Cu、Ni 在界面反应过程中的。 HO 等
[7]
研究发现，
Sn-Ag-xCu 钎料与 Ni 基板在 250 ℃条件下液−固界面反应时，界面 IMC 的类型与钎料中 Cu 浓度有很大关系：当钎料中 Cu 含量低于 0.2%(质量分数)时，在界当钎料中 Cu 含量高于 0.6%时，面处生成(Ni,Cu)3Sn4；当钎料中 Cu 含量介于 0.4% 在界面处生成(Cu,Ni)6Sn5；到 0.5% 之间时，界面处既生成 (Ni,Cu)3Sn4 ，又生成 (Cu,Ni)6Sn5。TSAI 等[8]研究发现，Sn-3.5Ag 钎料中添加不同含量的 Ni 会对 Sn-3.5Ag-xNi/Cu 界面反应产生影响，Ni 的添加虽然不能改变界面 IMC 的类型，但会改变其厚度及形貌。Sn-3.5Ag/Cu 界面处的 IMC 为致密的层状结构，当钎料中加入 Ni 元素后，界面 IMC 转变为疏松的多孔状结构，而且厚度大于未添加 Ni 时的厚度。此外，本课题组的前期研究结果表明，基体中 Cu、Ni 的溶解、扩散及交互作用对界面反应具有显著的影响[10−12]。由此可见，Cu 和 Ni 作为参与凸点界面反应中的重要元素，即使含量很微小也会显著影响界面反应的进程。对于 Cu/solder/Ni 焊点结构，在封装工艺过程中， UBM 中的 Cu 和 Ni 原子会溶解并扩散越过钎料参与对面一侧的界面反应，进而对微小焊点的可靠性产生影响。在 Cu/solder/Ni 焊点中，Cu 和 Ni 作为无限的扩散源对界面反应的影响必然不同于微量的 Cu 和 Ni 对界面反应的影响。因此，本文作者采用 Cu/Sn/Ni 线性焊点 ( 即采用目前业界常见的焊点间距 ) 研究液 − 固界面反应过程中 Cu 与 Ni 交互作用及其对界面反应产物及生长动力学的影响。
第 23 卷第 4 期 Vol.23 No.4
中国有色金属学报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals
2013 年 4 月 Apr. 2013
文章编号：1004-0609(2013)04-1073-06
Cu-Ni 交互作用对 Cu/Sn/Ni 焊点液−固界面反应的影响
图1
Cu/Sn/Ni 线性焊点液−固界面反应示意图
Fig. 1 Schematic diagram of liquid-solid interfacial reaction of line-type Cu/Sn/Ni interconnect
液−固界面反应后的线性焊点首先进行预磨，然后再依次用直径分别为 1.5 和 0.5 μm 的金刚石抛光膏进行抛光。抛光后再用 92%酒精−5%硝酸−3%盐酸(体积分数)的腐蚀液进行腐蚀，腐蚀时间为 10 s。采用 JSM−5600LV 型扫描电子显微镜和 EPMA−1600 型电子探针分别对界面金属间化合物的形貌与成分进行观察与分析。采用 Q500IW 型图像分析软件测定 SEM 照片中界面 IMC 层的面积，然后除以测量区域的总长度，得到界面 IMC 层的平均厚度。为了结果更加准确，每个界面取 3 张照片，每张照片测量 3 次，最后取平均值。