无铅焊料中Ag3Sn的成核与生长-深圳市福英达
无铅焊料中Ag3Sn的成核与生长-深圳市福英达
由于Ag能为锡膏带来更好的导电性和润湿性，目前焊料界的低温和中温的无铅焊料很多都会含有少量的Ag来起到优化焊点的作用。含有Ag的锡膏，如SnAg3Cu0.5和SnBi47.6Ag0.4，在回流后生成的焊点通常比SnCu和SnBi类的锡膏性能更优秀。在这些含Ag焊料中，金属间化合物（IMC）Ag3Sn在凝固过程中往往以共晶反应形式生成。有不少研究称初级Ag3Sn板生长会给焊点带来不良影响，因此分析Ag3Sn在焊料层中的生长机制很有必要。
Cui等人将不同焊料合金在高温下压成30μm厚的金属箔，然后加入助焊剂并回流形成直径500μm的球体。焊料样品会进行DSC实验加热然后冷却。通过分析吸热峰可以了解Ag3Sn的液相线温度。
Ag3Sn过冷
下图描述了过冷对Sn95Ag5中初级Ag3Sn生长的作用，回流冷却速率为5K/min。从结果来看，Ag3Sn成核过冷范围大约为17–68°C。此外，Ag3Sn在最小的过冷度（<20°C）下的生长形状为单晶板。随着过冷度加深至~25°C，在偏振光成像中形成了三个分叉的Ag3Sn板。当过冷超过40℃，Ag3Sn板仍然呈现分支现象，但会出现平行板。更高程度的过冷度会让Ag3Sn和β-Sn出现不同的成核温度，从而为Ag3Sn的生长和粗化提供了更长的窗口期。
图1. 不同SnAg5过冷温度的Ag3Sn微观结构。
冷却速度对Ag3Sn的影响
当冷却速度较低时，Ag3Sn会在SnAg5球中以单晶形态生长。随着增加回流过程中的冷却速度，更多的Ag3Sn生长以孪晶的形式发生。明显的是，孪晶倾向于在较低的温度下形成，即在较深的过冷度下形成的孪晶。此外从图2(b)可以看到，当冷却速度升高，Ag3Sn成核的起始温度会更低。
图2. SnCu5中的Ag3Sn在不同冷却速度下的成核。
焊料与铜基板焊接后的Ag3Sn生长
由于β-Sn成核的干扰较少，SnAg5的平均Ag3Sn过冷度比其他三种焊料更深。此外，Cui等人发现铜焊盘可以对当焊料Ag3Sn成核起到催化作用。与铜基板焊接时，Ag3Sn成核起始温度明显高于相对应的焊料球，且所有焊点的成核温度都高于Ag3Sn的液相线温度。
图3. 不同焊料中的Ag3Sn成核起始温度。
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参考文献
Cui, Y., Xian, J.W., Zois, A., Marquardt, K., Yasuda, H. & Gourlay, C.M. (2023). Nucleation and growth of Ag3Sn in Sn-Ag and Sn-Ag-Cu solder alloys. Acta Materialia, vol.249.
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