界面金属间化合物的生长动力学

图6显示了铜/锡/镍焊点中界面(铜、镍)6Sn5 IMCs 的厚度与 250°C 和 300°C 时回流时间的函数关系，焊料尺寸分别为50mm和100 mm。(铜、镍)6Sn5金属间化合物的厚度Sn/Ni 界面处的生长速率总是大于 Sn/ Cu 界面处的生长速率，即 (Cu，Ni)6sn 5 的不对称生长。在 250°C 时，锡/镍界面处的 (铜、镍)6Sn5 IMCs 的厚度与回流时间呈线性关系，表明反应控制生长机制，而这显示了在Sn/Cu 界面，表明扩散控制生长机制。在 300°C 时，两个界面处的(Cu，Ni)6sn 5 IMCs的厚度与回流时间呈抛物线关系，这表明所有界面均采用扩散控制生长机制。同时值得注意的是，(Cu，Ni)6sn 5 IMC在Sn/Ni界面的生长速率为 1.2 重量%，将在熔融 Sn 焊料上建立 Cu 浓度梯度。结果，从 Sn/ Cu 界面到 Sn/Ni 界面的熔融 Sn 焊料上将建立稳定的 Cu 浓度梯度。一旦铜原子溶解到熔融的锡中，它们将瞬间向锡/镍界面扩散，导致(Cu，Ni)6sn 5 的继续生长。然而，镍在锡中的饱和溶解度为 0.2 重量%，如果熔融锡含有少量的铜含量(小于 0.6 Wt。 %)，Ni 的溶解度变化不大，只有当 Cu 含量高于 0.6 Wt % 时，Ni 在熔融 Sn 中的饱和溶解度才会降低。%;然后，Sn/Ni 界面附近的熔融 Sn 中的 Ni 原子浓度大于 Sn/Cu 界面附近的 Ni 原子浓度，并且将在熔融 Sn 焊料上建立 Ni 浓度梯度，但是其小于熔融 Sn 中的 Cu 原子浓度梯度。同时，镍原子在熔融锡中的扩散率比铜原子慢两个数量级;因此，熔融锡中镍原子的扩散流量小于铜原子的扩散流量。因此，大量的 Cu 原子可以扩散到 Sn/Ni 界面中并参与界面反应以改变 Sn/Ni 界面的 IMC 类型;然而，只有少量的镍原子可以扩散到锡/铜界面，因此锡/铜界面处 IMC 的类型和成分在回流期间几乎不变。

界面 IMC 的生长机制可以用焊点中的原子流动来解释。这意味着铜/锡/镍焊点中界面(铜，镍)6Sn5 IMCs 的生长主要由通过界面(铜，镍)6Sn5 IMCs的铜扩散流控制。图7 显示了回流期间铜/锡/镍焊点中的铜原子流示意图。原子扩散流量 Jin 代表铜原子进入(铜、镍)6sn 5/焊料界面区的流量，JCu 由潜在化学梯度引起，可表示为其中 w 是铜在(铜，镍)6Sn5 中的重量分数，rsolder 是焊料的质量密度，rIMC 是(铜，镍)6Sn5 的质量密度。

Cu 原子在 Sn/Cu 界面的积累取决于 Jin 和 JCu 之间的差异。Jin 与 Sn/Cu 界面 IMC 厚度成反比，这导致了 Sn/Cu 界面 IMC 的抛物线生长规律。相反，锡/镍界面上金属间化合物的生长只取决于 JCu。尽管 JCu 在界面反应过程中会发生变化，但变化相对较小，导致金属间化合物在锡/镍界面呈线性增长。两个界面上 IMCs 的厚度主要由以下因素决定

金-JCu 和 JCu。如果 Jin《2JCu，在 Sn/Ni 界面形成的 IMCs 比在 Sn/Cu 界面形成的 IMCs 厚;否则，在锡/铜界面形成的金属间化合物较厚。

结论

研究了250°C和300°C下50和100 mm焊料尺寸的 Cu/Sn/Ni 焊点中 Cu-Ni 交叉焊料相互作用对界面反应的影响。随着回流时间的增加，在 Sn/Cu 和 Sn/Ni 界面浸入焊接后形成的初始 Cu6Sn5 和 Ni3Sn4 均分别转化为 (Cu，Ni)6sn 5 IMCs。此外，Sn/Ni 界面处的 (Cu，Ni)6sn 5 IMCs的厚度总是大于Sn/Cu界面处的厚度，即(Cu，Ni)6sn 5 的不对称生长是由 Cu 原子在 Cu 浓度梯度下向 Sn/Ni 界面的定向迁移引起的。界面化合物层的生长动力学在回流的后期阶段，两个界面都将达到稳定状态。250°C 时，Sn/Ni界面上的界面(Cu，Ni)6sn 5 IMCs层与回流时间呈线性关系，而 Sn/Cu 界面上的界面层与时间呈抛物线关系。然而，在 300°C 时，两个界面上的(Cu，Ni)6sn 5 IMCs 的厚度与回流时间呈抛物线关系。

在250°C时，Sn/ Cu界面上的(Cu，Ni)6sn 5 IMC的形貌呈柱状，并逐渐从以下是: 针状到针状和层状的混合物。相反，在 300°C 时， (Cu，Ni)6sn 5晶粒在Sn/Cu界面从柱状转变为具有大纵横比的扇贝状，并且在 Sn/Ni 界面也从针状转变为具有大纵横比的扇贝状。

(Cu，Ni)6sn 5 IMC中Ni的含量和(Cu，Ni)6sn 5的形貌证实了在较小的焊料尺寸和相对较低的温度下， Cu/S n/ Ni微焊点中Cu-Ni的交叉作用更强。

Cu/Sn/Ni 微焊点中 Cu-Ni 交叉作用的影响（三）