Einfluss der Umschmelzwärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von SnBi-Lot unter hoher Belastung

Jul 14, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 9550 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Wärmequelle, die auf der Selbstausbreitungsreaktion einer dünnen Al/Ni-Folie basiert, zeichnet sich durch konzentrierte Wärme, schnelle Temperaturanstiegs-/-abfallrate und eine kleine Wärmeeinflusszone aus; Es kann das Schmelzen und die Erstarrungskristallisation des Lots innerhalb von Millisekunden abschließen, um eine Lotverbindung zu realisieren, wodurch die Probleme der Beschädigung wärmeempfindlicher Materialien und Komponenten gelöst werden können, die durch die monolithische Erwärmung der Gehäusestruktur verursacht werden. Aufgrund des stark instationären Verbindungsprozesses kann sich die resultierende Mikrostrukturmorphologie jedoch auf die Betriebsleistung der verbundenen Verbindungen auswirken. Um vor diesem Hintergrund die Mikrostruktur des Lots nach dem Löten auf der Grundlage der Selbstausbreitungsreaktion zu untersuchen, analysiert dieser Artikel die Auswirkung der anfänglichen Mikrostruktur auf die Mikrostruktur nach dem Löten durch Erhitzen von 300 μm dickem SnBi-Lot mit einem 40-μm-dicken Lot. μm Al/Ni-Dünnfolie. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die kurze Schmelzzeit zu einem unvollständigen Schmelzen heterogener Phasen und einer ungleichmäßigen Verteilung der Elemente während des Schmelzprozesses führen kann, was einen erheblichen Einfluss auf die Morphologie und Zusammensetzungsverteilung der erstarrten Mikrostruktur sowie auf die Härteverteilung der geschmolzenen Zone. Die oben genannten Schlussfolgerungen haben das Potenzial, den auf der Selbstausbreitungsreaktion basierenden Verbindungsprozess zu verbessern, der sowohl für die theoretische Anleitung als auch für die technische Anwendung von entscheidender Bedeutung ist.

Lötverbindungsprozesse für elektronische Verpackungen werden typischerweise durch die integrierte Heizung des Geräts erreicht. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) des Materials kommt es an der Schnittstelle zu einer Konzentration thermischer Spannungen, die zu Schäden an der internen Wärmeempfindlichkeit des Geräts, zu thermischen Fehlanpassungen von Komponenten und Materialien und zu einer verminderten Zuverlässigkeit des Gehäuses führt. Da SnPb aufgrund seiner inhärenten Toxizität in elektronischen Informationsprodukten verboten wurde, wurden bleifreie Lote auf Sn-Basis umfassend untersucht und kommerziell als Ersatz für Sn-Pb-Lote eingesetzt. In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach bleifreiem Lot weiter gestiegen und viele bleifreie Lote wurden untersucht. Yuanyuan Qiao et al.1 verwendeten die Quasi-in-situ-Methode, um das Wachstumsverhalten intermetallischer Verbindungen (IMCs) in Cu/Sn-3,0Ag-0,5Cu/Cu-Mikrolötverbindungen mit einem einzelnen β-Sn-Korn während der Alterung mit und ohne zu beobachten Temperaturgradient (TG) und finden Sie eine Lösung zur Vorhersage der IMC-Morphologie und -Dicke unter Berücksichtigung der β-Sn-Kornorientierung. Xiaoyang Bi et al.2 fanden heraus, dass die Zugabe eines Co-Ni-Films die mechanischen Eigenschaften des Ni-Films und des Ni3Sn4-IMC verbesserte. Haozhong Wang et al.3 bestätigten durch Tests, dass die Härte und der Modul von Sn-3,0Ag-0,5Cu-Verbundlotlegierungen nach der Zugabe von Ni-CNTs verbessert wurden. In der oben genannten Literatur werden Elemente hinzugefügt, um zu untersuchen, wie die Festigkeit des Lots nach der herkömmlichen Lötmethode verbessert werden kann, und es wird vor diesem Hintergrund weniger untersucht, wie die Lötfestigkeit bei der Hochgeschwindigkeits-Selbstausbreitungsreaktion verbessert werden kann Durch die Untersuchung der Auswirkung der Umschmelzwärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von SnBi-Lot unter Hochgeschwindigkeits-Selbstausbreitungsreaktion ist dieses Papier sowohl für die theoretische Anleitung als auch für die technische Anwendung von entscheidender Bedeutung.

Die Technologie der Selbstausbreitungsreaktionsverbindung ist in der Lage, die oben genannten Probleme effektiver zu lösen. Die Lötverbindungstechnologie mit Selbstausbreitungsreaktion schmilzt das Lot, indem sie den Selbsterhitzungs- und Selbstleitungseffekt der hohen chemischen Reaktionswärme zwischen den Reaktanten nutzt. Aufgrund ihrer einfachen Anregung und hohen thermischen Effizienz sind nanodünne Folien mit abwechselnden Al- und Ni-Nanoschichten, allgemein als dünne AlNi-Selbstausbreitungsfolien bezeichnet, eines der am häufigsten in Gehäuseverbindungen verwendeten Materialien für Selbstausbreitungsreaktionen . Die Reaktionsgleichung wird mit dem Symbol Gl. bezeichnet. (1).

Heerden et al.4 vollendeten die Verbindung zwischen Siliziumchips und Kupferkühlkörpern mithilfe von SnPb-Lötmitteln und der sich selbst ausbreitenden Dünnfolienreaktion von AlNi und wandten die Technik auf die Überarbeitung ausgefallener Geräte an; Qiu et al.5 nutzten die selbstausbreitende Dünnfolienreaktion von AlNi, um eine direkte Verbindung zwischen Siliziumwafern zu erreichen, und bestanden den IPA-Leckagetest; Namazu et al.6 verwendeten Magnetronsputtern, um eine dünne AlNi-Folie auf AuSn-Lot abzuscheiden, und nutzten dann die durch die Zündung der dünnen Folie erzeugte Wärme, um das Lot zu schmelzen und MEMS-Geräte zu verbinden. Levin et al.7 nutzten die Selbstausbreitung, um AuSn-Lot bei Raumtemperatur exotherm zu schmelzen, um die Verbindung zwischen elektrischen Anschlüssen und Leiterplatten herzustellen.

Um die Gerätekonnektivität zu ermöglichen, nutzten diese Anwendungen eine Selbstausbreitungsreaktion dünner Folie, die exotherm war, um das Lot zu schmelzen. Aufgrund der schnellen Selbstausbreitungsreaktion und der hochkonzentrierten Wärmequelle erwärmt/kühlt sich das Lot jedoch aufgrund der sehr kurzen Zeitspanne (ca. 0,2 ms) schnell auf/ab (ca. 105–107 °C/s), was zu einer sehr hohen Temperatur führt Gradient in der Lotschicht (1~3*107 °C/m)8,9,10. Während des Schmelzvorgangs kann das Lot, das durch die kurze Zeit des flüssigen Zustands beeinflusst wurde, nicht gründlich durch Konvektion vermischt werden. Die Elementardiffusion wird auch durch die kurze Verflüssigungszeit beeinflusst, die zur kristallinen Mikrostruktur des Lots erstarrt, die sich von der herkömmlichen schmelzenden kristallinen Mikrostruktur unterscheidet, die eine spezifische Vererbung der ursprünglichen Mikrostruktur des Lots zeigt11,12,13. Aufgrund des Mangels an Studien zu diesem Thema untersucht dieser Artikel die Auswirkung der anfänglichen Mikrostruktur des Lots auf die Mikrostruktur der Schmelzzone der Verbindung unter der Wirkung einer sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle14,15,16.

Die in diesem Artikel beschriebene Selbstausbreitungsreaktion basiert auf einer Indium-Nanomultischichtfolie (NanoFoil). Bei der dünnen Folie handelt es sich um eine reaktive Al-Ni-Mehrschichtfolie mit der in Abb. 1 dargestellten Struktur. Die Al/Ni-Nanofolie hat eine Dicke von 40 μm und ein Atomverhältnis von Al zu Ni von 1:1, was zu AlNi führt Endprodukt. Auf der Oberfläche der Folie wird eine Benetzungsschicht (59 Gew.-% Ag ~ 27,25 Gew.-% Cu ~ 12,5 Gew.-% In ~ 1,25 Gew.-% Ti) mit einer Dicke von 1 μm aufgetragen, um die Benetzung zwischen der sich selbst ausbreitenden Folie und zu verbessern die Lotschicht.

Struktur einer nanodünnen AlNi-Folie.

Die in diesem Artikel verwendeten vorgefertigten Lotbleche wurden von der Shaanxi Turing Company bereitgestellt. Die dicken (300 μm) SnBi-Lötbleche wurden für das Selbstausbreitungsschmelzen ausgewählt, um die Lotbleche teilweise zu schmelzen und eine intuitive Beobachtung des Unterschieds zwischen der ursprünglichen Lotmikrostruktur und der wiedererstarrten Mikrostruktur unter der Wirkung des selbstausbreitenden Hochschmelzens zu ermöglichen. Geschwindigkeitswärmequelle. Abbildung 2 zeigt die Mikrostruktur dieser Lotbleche.

Mikrostrukturmorphologie der SnBi-Lotfolie.

Der in diesem Artikel verwendete Versuchsaufbau ist in Abb. 3 dargestellt. Um die nichtgleichgewichtige Mikrostrukturverteilung in der gesamten Schmelzzone des Lots zu untersuchen, wenn es einer Hochgeschwindigkeitswärmequelle ausgesetzt wird, wurde eine Sandwichstruktur aus Lot/selbstausbreitender Folie/Lot verwendet gebraucht. Darüber hinaus wurden während der Reaktion unterschiedliche Drücke und Vorheiztemperaturen auf die Reaktionsstruktur ausgeübt, um sicherzustellen, dass das Lot und die sich selbst ausbreitende Folie fest zusammenpassen und eine zuverlässige Verbindung bildeten. Wenn die Vorwärmtemperatur den Zündpunkt der Al/Ni-Folie (~ 200 °C) überschreitet, entzündet sich die Al/Ni-Folie direkt und die lange Vorwärmzeit beschleunigt die Interdiffusion zwischen den Al- und Ni-Nanoschichten, wodurch die Gesamtwärmeausbeute und die Wärme verringert werden Erzeugungseffizienz.

Schematische Darstellung einer Sandwichstruktur aus Lot/selbstausbreitender dünner Folie/Lot.

Die SnBi-Lötbleche wurden in zwei Gruppen aufgeteilt. Die Lotbleche der Gruppe A blieben unbehandelt, während die der Gruppe B geschmolzen und mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/s auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Dann wurde für jede Gruppe eine selbstausbreitende Folie zwischen die beiden Komponenten des vorgefertigten Lots eingefügt. Nachdem Druck auf diese Sandwichkonstruktion ausgeübt wurde, reagierte die sich selbst ausbreitende Folie unter Energieanregung und erzeugte ausreichend Wärme, um die beiden Gruppen von Lotblechen auf beiden Seiten zu schmelzen und eine Verbindung herzustellen, wie in Abb. 4 dargestellt.

Schematische Darstellung des experimentellen Ablaufs.

Die Lote beider Gruppen wurden mithilfe einer sich selbst ausbreitenden Wärmequelle erhitzt und die resultierenden Mikrostrukturen verglichen. Die Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt. Die Erstarrungsmikrostrukturen jeder Gruppe waren unter dem Einfluss der identischen, sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle unterschiedlich. Nachdem die sich selbst ausbreitende Hochgeschwindigkeits-Wärmequelle auf die Lote der Gruppe A reagiert hatte, behielt die Mikrostruktur der Schmelzzone eine signifikante verbleibende Bi-reiche Phase mit einem hohen Schmelzpunkt bei, die der ursprünglichen Mikrostruktur ähnelte. Bei den Loten der Gruppe B wies die Mikrostruktur der Schmelzzone eine laminare eutektische Mikrostruktur auf, die auch der anfänglichen Mikrostruktur des umgeschmolzenen eutektischen SnBi-Lots ähnelte. Es wurde festgestellt, dass die anfängliche Mikrostruktur des SnBi-Lots einen signifikanten Einfluss auf die Mikrostrukturmorphologie nach Anwendung der sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle hatte.

Die vollständige Mikrostruktur des SnBi-Lots und die Mikrostruktur in der Schmelzzone. (a, c) ungeheiztes SnBi-Lot, (b, d) wärmebehandeltes SnBi-Lot.

Durch Scannen der Oberfläche des SnBi-Lots in Gruppe A wurde festgestellt, dass die dünne AlNi-Folie eine offensichtliche Grenzfläche mit dem Lot bildete und keine Anzeichen einer gegenseitigen Diffusion aufwies, wie in Abb. 6 dargestellt. Die Sn- und Bi- Die reichen Phasen waren gleichmäßig verteilt und hatten eine einheitliche Größe. Was den geschmolzenen Bereich betrifft, war die Größenverteilung der Bi-reichen Phase nicht einheitlich; die größte Größe erreichte 5 μm, während die kleinste Größe weniger als 1 μm betrug. Diese großen Restphasen bilden sich auf eine Weise, die sich deutlich von der anderer feiner eutektischer Strukturen unterscheidet. Und der primäre Entstehungsmechanismus war ein Mangel an Elementdispersion.

Mikrostruktur- und Oberflächen-Scan-Ergebnisse der Schmelzzone von SnBi-Lot nach der Einwirkung einer sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeits-Wärmequelle.

Die SnBi-Zusammensetzung der gesamten Schmelzzone weicht vom eutektischen Punkt ab (Sn 42 % – Bi 58 %), die Schmelzzone behielt jedoch ein abwechselndes eutektisches Muster aus Sn-reichen und Bi-reichen Phasen bei. Die EDX-Zusammensetzungsanalyse zeigte eine deutliche Gradientenverteilung des Sn-Gehalts in der Schmelzzone, mit einem niedrigeren Sn-Gehalt zur Oberfläche der sich selbst ausbreitenden dünnen Folie hin und einem höheren Sn-Gehalt von dieser entfernt. Dies lag daran, dass die Schmelztemperaturen der Sn-reichen und Bi-reichen Phasen des SnBi-Lots unterschiedlich waren. Aufgrund des höheren Schmelzpunkts war die Bi-reiche Phase während des Schmelzprozesses schwieriger zu schmelzen als die Sn-reiche Phase, was dazu führte, dass der Sn-Gehalt in der Schmelzzone zu Beginn des Schmelzens höher war als der eutektische Punkt. In der Zwischenzeit verfestigte sich das Lot in einer Richtung weg von der Grenzfläche der Schmelzzone mit dem ungeschmolzenen Bereich und hin zur Grenzfläche der Schmelzzone mit der sich selbst ausbreitenden dünnen Folie. In Kombination mit Abb. 7 konnte die Zusammensetzung des SnBi-Lots in verschiedenen Regionen nach dem Betrieb einer sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle klar abgeleitet werden. Die Zusammensetzung der Schmelze während des anfänglichen Erstarrungsprozesses war subeutektisch und das SnBi-Lot neigte zur Bildung der Sn-Primärphase. Das Lot verfestigte sich in einem sehr ungleichgewichtigen Zustand, die Abkühlgeschwindigkeit und der Unterkühlungsgrad waren beide hoch und die eutektische Ausfällung erfolgte unterhalb des eutektischen Punktes, was darauf hindeutet, dass die Legierungsflüssigkeit sowohl für die Sn- als auch für die Bi-Phase übersättigt war. Sowohl Sn als auch Bi kristallisierten während der Kristallisation, und die eutektische Mikrostruktur wurde dennoch ausgeschieden, als die Zusammensetzung vom eutektischen Punkt abwich, was zur Bildung einer pseudoeutektischen Mikrostruktur führte (Sn-Gehalt etwas höher als in der Schmelze). Durch die schnelle Erstarrung wurde das beginnende -Sn eingeschlossen und daran gehindert, sich zur Seite der sich selbst ausbreitenden dünnen Folie auszubreiten, was zu einer hohen Sn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen den geschmolzenen und ungeschmolzenen Bereichen zu Beginn der Erstarrung führte. Die Sn-Konzentration der Schmelze sank schnell, als sich eine pseudoeutektische Mikrostruktur und beginnendes -Sn ausfielen. Infolgedessen zeigte der Sn-Gehalt eine Gradientenverteilung, die mit der Entfernung von der sich selbst ausbreitenden dünnen Folie zunahm, und je näher die Lotzusammensetzung am eutektischen Punkt lag, desto höher war der Sn-Gehalt.

Zusammensetzung von SnBi-Lot in verschiedenen Regionen nach der Einwirkung einer sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle.

Die Mikrostruktur des Kontakts zwischen den ungeschmolzenen und geschmolzenen Bereichen des SnBi-Lots ist in Abb. 8 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass die Bi-reiche Phase im ungeschmolzenen Bereich eine deutliche Kontur und eine glatte Grenzfläche zur Sn-reichen Phase aufwies. Innerhalb des Pastenbereichs umgab eine Schicht aus Sn-reicher Phase die große körnige Bi-reiche Phase, gefolgt von einer Schicht aus Bi-reicher Phase, die um die Sn-reiche Phase gewickelt war, um eine eutektische Struktur zu bilden. In der Schmelzzone wurde die Bi-reiche Phase abwechselnd mit der Sn-reichen Phase dispergiert. An der Grenzfläche zwischen dem ungeschmolzenen und dem geschmolzenen Bereich befand sich eine Sn-reiche Schicht, und die Elementaranalyse ergab, dass die Sn-reiche Schicht mit einem Sn-Gehalt von 86,31–87,68 die gleiche Zusammensetzung wie die Sn-reiche Phase im ungeschmolzenen Bereich aufwies % und die Feststofflöslichkeit der Bi-Elemente war höher als die Gleichgewichts-Feststofflöslichkeit (21 %). Es wurde festgestellt, dass die an dieser Grenzfläche verbliebene Bi-reiche Hauptphase elementar mit der Beschreibung des Gleichgewichtsphasendiagramms der Phase übereinstimmt, aus der punktförmige Sn-reiche Partikel ausgefällt wurden.

Mikrostruktur der Schnittstelle zwischen SnBi-Lötschmelzbereich und ungeschmolzenem Bereich.

Abbildung 9 zeigt weitere Oberflächenscans von umgeschmolzenem SnBi-Lot. Die Grenzfläche zwischen der dünnen AlNi-Folie und dem Lot war deutlich zu erkennen, es gab keine offensichtlichen Anzeichen einer reziproken Diffusion. Die Größe der Mikrostruktur im ungeschmolzenen Bereich war etwas größer als im geschmolzenen Bereich, und die Sn-reichen und Bi-reichen Phasen waren kleiner und gleichmäßiger verteilt als im nicht umgeschmolzenen SnBi-Lot. Die Korngröße der Bi-reichen Phase betrug im Wesentlichen weniger als 1 μm.

Mikrostruktur- und Flächenscanelementverteilung in der Schmelzzone von SnBi-Lot nach der Wärmebehandlung nach Einwirkung einer sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle. (a) Mikrostruktur, (b) Al, (c) Ni, (d) Sn, (e) Bi, (f) Ag, (g) Cu.

Zusätzlich wurde die Elementzusammensetzung des umgeschmolzenen SnBi-Lots in jeder Region analysiert. Das Ergebnis ist in Abb. 10 dargestellt. Die Elementzusammensetzung von Bi im ungeschmolzenen Bereich betrug 52,36 Gew.-%, und die Mikrostrukturmorphologie stimmte auch mit einer subeutektischen Mikrostruktur mit sichtbarer beginnender Sn-Phasenbildung und weißer Bi-reicher Phase überein Partikel fielen in fester Lösung aus, was darauf hinweist, dass die Schmelze subeutektisch war (58 Gew.-%). An der Grenzfläche zwischen der geschmolzenen und der ungeschmolzenen Zone betrug das Gewichtsverhältnis von Sn zu Bi 47,43:52,56, was immer noch untereutektisch war. Es wurde festgestellt, dass sich beim Umschmelzen von SnBi-Lot aufgrund der Wirkung der sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle keine Sn-reiche Schicht an der Grenzfläche zwischen geschmolzenem und nicht geschmolzenem Lot bildete und dass die Zusammensetzung dieser Schicht im Wesentlichen mit der von identisch war die ursprüngliche Mikrostruktur. Dies geschah, weil aufgrund der winzigen Korngröße und der homogenen Mikrostrukturverteilung des umgeschmolzenen SnBi-Lots beide eutektischen Phasen während des Schmelzprozesses verbraucht wurden und keine verbleibenden Bi-reichen Phasen zurückblieben. Und die Zusammensetzung der Schmelze war homogen und lag näher am eutektischen Punkt als die Zusammensetzung der nicht umgeschmolzenen SnBi-Lotschmelze17,18. Infolgedessen konnte während des Erstarrungsprozesses keine β-Sn-Phase von der Grenzfläche zwischen geschmolzenem und ungeschmolzenem Lot zum selbstausbreitenden Kontakt zwischen dünner Folie und Lot ausfallen, was dazu führte, dass an der Grenzfläche zwischen geschmolzenem und nicht geschmolzenem Lot kein Sn-reiches Band vorhanden war. Die Zusammensetzung war in der gesamten Schmelzzone im Wesentlichen gleichmäßig, mit einem leichten Gradienten in der Verteilung der Sn-Konzentration. Der Gradient in der Erstarrungszusammensetzung war mit der Nichtgleichgewichts-Erstarrungstheorie kompatibel19,20,21 und die Schmelzzusammensetzung näherte sich stetig dem eutektischen Punkt, während sie von der geschmolzenen/ungeschmolzenen Grenzfläche zu den Grenzen von Lot/selbstausbreitender dünner Folie erstarrte.

Zusammensetzung verschiedener Bereiche des wärmebehandelten SnBi-Lots nach der Einwirkung einer sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle.

Abbildung 11 zeigt die Härteverteilung der Mikrostruktur rund um die Schmelzgrenzfläche der Lötstelle. Innerhalb der Schmelzzone nimmt die Härte des SnBi-Lots mit zunehmendem Abstand von der selbstausbreitenden Folie schnell ab und erreicht 0,54 GPa auf der Seite, die der selbstausbreitenden Folie am nächsten liegt, und 0,35 GPa in einem Abstand von 63 μm. Dies liegt daran, dass die Korngröße des eutektischen SnBi-Lots mit der Entfernung von der sich selbst ausbreitenden dünnen Folie zunimmt und auch die Mikrostrukturhärte in der Schmelzzone mit der Entfernung von der sich selbst ausbreitenden dünnen Folie zunimmt. Durch den Vergleich der Mikrostrukturhärteverteilungen innerhalb der Schmelzzonen der beiden Lotgruppen wurde festgestellt, dass die Härte des wärmebehandelten und raffinierten SnBi-Lots etwas geringer war als die des SnBi-Lots nach der Einwirkung des sich selbst ausbreitenden Hochs Hochgeschwindigkeits-Wärmequelle mit einer Härteverteilung von 0,3–0,6 GPa für das nicht wärmebehandelte SnBi-Lot und 0,3–0,45 GPa für das wärmebehandelte Lot. Wärmebehandeltes SnBi-Lot weist eine geringere Varianz und eine konzentriertere Härteverteilung auf. Die statistische Analyse der Härteverteilung der ungeschmolzenen Zone zeigt, dass die Phase mit hoher Härte hauptsächlich auf das Vorhandensein einer großen Bi-reichen harten und spröden Phase zurückzuführen ist. Das Lot, das nach der Wärmebehandlung überwiegend lamellares Eutektikum ist, und das SnBi-Lot sind feiner und weisen keine nennenswerte Bi-reiche Phase auf. Da die spröde und harte Bi-reiche Phase im Wesentlichen eliminiert wird, ist die Härteverteilung des umgeschmolzenen Lots gleichmäßiger als die des nicht umgeschmolzenen SnBi-Lots. Dies weist darauf hin, dass mit zunehmender Kornfeinung die durchschnittliche Härte des Lots sinkt und die Härteverteilung innerhalb des Lots gleichmäßiger wird.

Härteverteilung der Mikrostruktur rund um die Schmelzgrenzfläche der Lötstelle.

Früheren Untersuchungen zufolge hatte die Mikrostrukturhomogenität von SnBi-Lot unter dem Einfluss einer sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle einen größeren Einfluss auf die Morphologie der Erstarrungsmikrostruktur. Aufgrund der extrem schnellen Schmelzzeit des Lots unter dem Einfluss der sich selbst ausbreitenden Wärmequelle kann es zu einer unzureichenden Elementdiffusion kommen. Aufgrund der inhomogenen Mikrostruktur der internen Elementdiffusion konnten Lote mit einer großen Phase mit hohem Schmelzpunkt den eutektischen Punkt nach einer kurzen Zeitspanne des Erreichens der eutektischen Temperatur nicht erreichen22,23. Dies bedeutete, dass das Lot nicht vollständig schmelzen konnte, selbst wenn der Bereich der inhomogenen Mikrostruktur des Lots den Schmelzpunkt des eutektischen Lots erreichte. Darüber hinaus würde aufgrund der unzureichenden Diffusion der Elemente die ursprüngliche Zusammensetzungsverteilung der Region bestehen bleiben und die ursprüngliche Mikrostruktur der Region erhalten bleiben, selbst wenn die Temperatur den Schmelzpunkt der Phase mit hohem Schmelzpunkt übersteigt.

Um den tatsächlichen Stoffübergangsprozess im Lot weiter aufzuklären, wurde die Diffusionsstrecke des gelösten Stoffes typischerweise mithilfe unregelmäßiger Atomsprünge24 berechnet. Zunächst wurde zuvor festgestellt, dass die atomare Sprungwahrscheinlichkeit P, die Sprungfrequenz, die Sprungweite r und der Diffusionskoeffizient D wie folgt zusammenhängen:

Angenommen, ein Atom macht n-malige Sprünge und stellt jeden Sprung als Vektor r dar, mit dem endgültigen Sprungvektor Rn

Um den Modul von Rn zu ermitteln, multiplizieren Sie ihn mit einem Skalarprodukt

Der Sprung eines Atoms war zufällig und die Richtung jedes Sprungs war unabhängig vom vorherigen Sprung, sodass der Sprung für jede Vektorrichtung die gleiche Wahrscheinlichkeit hatte und jeder Vektor einen entsprechenden Vektor in der entgegengesetzten Richtung hatte, also der Durchschnittswert von der Sprungvektor nach einer großen Anzahl von Atomsprüngen \(\overline{{R_{n}^{2} }}\) wurde ausgedrückt als

Kombiniert man die atomare Sprungwahrscheinlichkeit P, die Sprungfrequenz Γ, die Sprungentfernung r und den Diffusionskoeffizienten D in Gl. (2) könnte der Ausdruck für den Diffusionsabstand d erhalten werden als:

wobei a die Diffusionsdimension war.

Da die Größe der heterogenen Phase Bi im SnBi-Lot etwa 10 μm betrug, wurde durch Berechnung des Diffusionsabstands festgestellt, dass unter der Annahme, dass die heterogenen Elemente über dem eutektischen Schmelzpunkt, die in einen Teil des Lots diffundierten, der Diffusionskoeffizient und die geschmolzen waren Die zum Schmelzen der heterogenen Phase des SnBi-Lots erforderliche Zeit ist in Tabelle 125 aufgeführt.

Der Mikrostrukturbildungsprozess von eutektischem SnBi-Lot mit ungleichmäßiger Zusammensetzungsverteilung wurde in Abb. 12 unter dem Einfluss eines sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitstemperaturfelds dargestellt26,27,28,29,30,31. Die ursprüngliche Mikrostruktur ist in Abb. 12a–b dargestellt. Wenn die anfängliche Mikrostruktur eine relativ voluminöse eutektische Mikrostruktur war, bevor die Temperatur den eutektischen Punkt erreichte, blieb die eutektische Mikrostruktur fest mit unregelmäßiger Schichtverteilung. Die Phasengrenzfläche zwischen der Sn-reichen Phase und der Bi-reichen Phase war offensichtlich, und es gab eine geringe Interdiffusion von Atomen zwischen diesen beiden Grenzflächen im Festkörper. Die Mikrostruktur wies eine offensichtlich ungleichmäßige Verteilung der Komponenten auf, und der Schmelzpunkt der Sn-reichen Phase und der Bi-reichen Phase wäre höher als der eutektische Punkt, wenn diese beiden Phasen zu spät diffundieren würden. Während des eigentlichen Schmelzprozesses sorgte die Atomdiffusion zwischen den Grenzflächen dafür, dass die Zusammensetzung an der Grenzfläche der eutektischen Zusammensetzung nahekam, der Schmelzpunkt fiel auf den eutektischen Punkt und das Schmelzen begann an der Grenzfläche der beiden Phasen, wie in Abb. 12b dargestellt –E. Mit der Zeit nahm das Volumen der flüssigen Phase allmählich zu und sowohl die Sn-reiche Phase als auch die Bi-reiche Phase wurden verbraucht. Mit dem Ende der Selbstausbreitungsreaktion sank die Temperatur der Struktur allmählich. Die Sn-reiche Phase und die Bi-reiche Phase wurden kontinuierlich verbraucht, bevor sie den eutektischen Punkt erreichten, und der Verbrauch würde nicht gestoppt werden, bis die Temperatur den eutektischen Punkt erreichte, wie in Abb. 12f dargestellt. Die Erstarrungsgeschwindigkeit des Lots unter der Wirkung der sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle war extrem hoch (200 mm/s) und die erstarrte Mikrostruktur wurde in ein feineres Schichteutektikum als die ursprüngliche Mikrostruktur umgewandelt. Die Bi-reiche Phase in der ursprünglichen Mikrostruktur wurde nicht vollständig verbraucht und verblieb in der neu gebildeten Mikrostruktur als klumpige Verteilung, wie in Abb. 12g dargestellt. Offensichtlich bildete sich während der Erstarrung eine Schicht einer Sn-reichen Phasenmikrostruktur um die ungeschmolzene Bi-reiche Phase herum, was darauf zurückzuführen war, dass diese Mikrostruktur während der Erstarrung die Bi-reiche Phase als Matrix annahm und die Anreicherung von Bi-Elementen an diesem Feststoff– Die flüssige Grenzfläche ermöglichte die Keimbildung der Bi-reichen festen Lösung, und Bi entlud die überschüssige Sn-reiche Phase während des Keimbildungsprozesses, so dass es eine Schicht aus umhüllter Sn-reicher Phase um die ungeschmolzene Bi-reiche Phase gab. während die Sn-reiche Phase auch von einer Schicht aus umhüllter Bi-reicher Phase umgeben war. Geht man von der ungleichmäßigen Verteilung der beiden Phasen im SnBi-Lot aus, würde das Lot zu diesem Zeitpunkt vollständig geschmolzen sein, wenn die Lottemperatur den Schmelzpunkt der Bi-Elemente erreichen würde, d die Schmelze würde ebenfalls schnell erfolgen, sodass diese Region eher den eutektischen Zustand aufweisen würde; Wenn die Lottemperatur über dem Sn-Schmelzpunkt und unter dem Bi-Schmelzpunkt (231 °C < T < 271 °C) lag und die Lotschmelzzeit ausreichend war, konnten sowohl Sn-Monomere als auch Bi-Monomere vollständig geschmolzen werden. Wenn die Schmelzzeit des Lots zu kurz war, konnte es leicht zu einem unvollständigen Schmelzen der Restphase kommen.

Schematische Darstellung des Schmelzvorgangs im Pastenbereich von SnBi-Lot.26

Unter der Wirkung einer sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle betrug die Zeit oberhalb der eutektischen Schmelzpunkttemperatur in der Nähe der geschmolzenen/ungeschmolzenen Grenzfläche im SnBi-Lot meist etwa 4–5 ms, und die maximale Schmelzkorngröße würde 7,59–8,48 betragen μm erhalten durch Gl. (6). Daher war es selbst in einem Abstand von 10 μm von der geschmolzenen/ungeschmolzenen Grenzfläche nicht möglich, die größeren Phasen des SnBi-Lots mit ungleichmäßiger Elementverteilung vollständig zu schmelzen. Die durch die erstarrte kristalline Phase des vollständig geschmolzenen Lots erzeugte Korngröße betrug etwa 1 μm, und der Großteil der restlichen Volumenphase war viel größer als 1 μm, sodass die Korngröße im SnBi-Lot in hohem Maße von der Partikelgröße abhing der Massenmikrostruktur. Je weiter der Abstand von der selbstausbreitenden Folie entfernt ist, desto kürzer ist die Schmelzzeit des Lots und desto größer ist die klumpige Mikrostruktur, sodass die Größe der Mikrostruktur im SnBi-Lot mit zunehmendem Abstand von der selbstausbreitenden Folie zunimmt. Unzureichendes Schmelzen war der Mechanismus für die Bildung einer klumpigen Mikrostruktur an der Grenzfläche zwischen den geschmolzenen und nicht geschmolzenen Bereichen32.

Im Vergleich zu der klumpigen Mikrostruktur, die an der Grenzfläche zwischen den geschmolzenen und ungeschmolzenen Bereichen auftrat, traten auch körnige klumpige Mikrostrukturen in der Nähe der sich selbst ausbreitenden dünnen Folie auf, und die Größe nahm mit zunehmendem Abstand von der sich selbst ausbreitenden dünnen Folie zu. Aufgrund der kurzen Schmelzzeit des Lots war die heterogene Phase jedoch bereits vollständig geschmolzen, wenn das Lot den Schmelzpunkt der heterogenen Phase erreichte, und die unzureichende Diffusion der Elemente würde immer noch dazu führen, dass das restliche Lot im vollständig geschmolzenen Bereich verbleibt und sich bildet klumpige Restphase. Unter der Annahme, dass der Konvektionseffekt der Schmelze nicht berücksichtigt wurde, wurde die Diffusionsreichweite ihrer heterogenen Elemente nach Gl. berechnet. (6) und die Schmelzzeit. Es konnte deutlich festgestellt werden, dass der Diffusionsabstand der Elemente nach dem vollständigen Schmelzen des Lots mit großer ursprünglicher Mikrostruktur kleiner als die maximale heterogene Phasengröße war und das flüssige Lot immer noch mit Bi-reichen und Sn-reichen Bereichen verteilt sein würde. Während der Erstarrung hatten diese Bereiche einen höheren Schmelzpunkt als die eutektische Schmelze und erstarrten bevorzugt, sodass sie einige der Eigenschaften der ursprünglichen Mikrostruktur beibehalten konnten33. Dies führte dazu, dass selbst wenn das Lot vollständig geschmolzen war, die Gleichmäßigkeit der anfänglichen Mikrostrukturverteilung immer noch die Zusammensetzung und Morphologie der erstarrten Lotmikrostruktur in der Selbstausbreitungsreaktion beeinflusste. Die Bildung von Restphasen in der Nähe des Bereichs der sich selbst ausbreitenden dünnen Folie war auf das Auftreten einer klumpigen Mikrostruktur zurückzuführen, die durch eine unzureichende Diffusion der Zusammensetzung verursacht wurde.

Zusammenfassend führte das unvollständige Aufschmelzen heterogener Phasen und die ungleichmäßige Verteilung der Elemente während des Lotschmelzprozesses zur Bildung klumpiger Restphasen in der Schmelzzone des Lots. Die unvollständig geschmolzenen Klumpen konzentrierten sich hauptsächlich an der Grenzfläche geschmolzen/ungeschmolzen, während die kleineren Klumpen in der Schmelzzone durch die ungleichmäßige Verteilung der Elemente in der Schmelze entstanden.

Die Mikrostruktur und Verteilung von eutektischem SnBi-Lot bei niedriger Temperatur wurden in diesem Artikel anhand von zwei Sätzen doppelseitiger SnBi-Lotbleche mit und ohne Umschmelzwärmebehandlung unter Verwendung einer 40 μm dicken selbstausbreitenden dünnen Folie verglichen. Im Ergebnis wurden folgende Erkenntnisse gewonnen:

Einerseits hätte die inhomogene anfängliche Mikrostrukturverteilung des Sn42Bi58-Lots aufgrund der kurzen Schmelzzeit einen erheblichen Einfluss auf die Morphologie und Zusammensetzungsverteilung der erstarrten Mikrostruktur unter der Wirkung der sich selbst ausbreitenden Hochgeschwindigkeitswärmequelle; Andererseits führt eine unzureichende Elementdiffusion während des Lotschmelzprozesses zu einem unvollständigen Aufschmelzen heterogener Phasen und einer ungleichmäßigen Verteilung, was erhebliche Auswirkungen auf die Zusammensetzung und Härteverteilung der Schmelzzone hat. Den Ergebnissen dieser Forschung zufolge verbessert das Umschmelzen von SnBi-Lot vor dem Selbstausbreitungs-Hochgeschwindigkeitslöten die Konsistenz der Mikrostrukturmorphologie, Zusammensetzung und Härteverteilung in der Schmelzzone nach dem Löten und erhöht somit die Zuverlässigkeit der Lötleistung.

Wärmeausdehnungskoeffizienten

Intermetallische Verbindung

Temperaturgefälle

Kohlenstoff-Nanoröhren

Isopropylalkohol

Mikroelektromechanisches System

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Diese Arbeit wird finanziell von der National Natural Science Foundation of China (NSFC-Nr. 62074062 und NSFC-Nr. 61574068) unterstützt.

School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China

Yang Wan, Longzao Zhou und Fengshun Wu

TKD Science and Technology Co., LTD, Suizhou, 441300, China

Yang Wan

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YW: Konzeptualisierung, Methodik, Validierung, formale Analyse, Schreiben – Originalentwurf und Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. LZ: Datenkuration, Untersuchung und Visualisierung. FW: Konzeptualisierung, Ressourcen, Überwachung und Projektverwaltung.

Korrespondenz mit Fengshun Wu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wan, Y., Zhou, L. & Wu, F. Einfluss der Umschmelzwärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von SnBi-Lot unter Hochgeschwindigkeits-Selbstausbreitungsreaktion. Sci Rep 12, 9550 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13776-z

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Eingegangen: 10. März 2022

Angenommen: 27. Mai 2022

Veröffentlicht: 09. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13776-z

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