王 生,鈕 松,楊建設(shè),黃賢兵,姚廷鑫

(安徽鑫科銅業(yè)有限公司,安徽 蕪湖 241003)

Intermetallic compound 簡稱為IMC,即為“金屬間化合物”。廣義上是指某些金屬相互緊密接觸的界面間,會產(chǎn)生一種原子遷移互動的行為,組成一層類似合金的“化合物”。在焊接領(lǐng)域的狹義上是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫等鍍層或焊縫之間的化合物,其中尤以銅錫間的良性Cu6Sn5及惡性Cu3Sn最為常見,對焊錫性及焊點可靠度(即焊點強(qiáng)度)的影響最大。IMC層太薄會形成焊接冷焊、虛焊、假焊等不良現(xiàn)象,而過厚的IMC層會導(dǎo)致焊點產(chǎn)生裂紋、韌性和抗周期疲勞性下降,從而導(dǎo)致焊點的可靠性降低或是失效。熱浸鍍錫銅帶是一種高端且關(guān)鍵的銅帶產(chǎn)品,在熱浸鍍錫過程中銅帶是在預(yù)處理后通過錫的加熱熔化均勻的鍍在銅材表面,熔化的錫和銅之間的反應(yīng)從銅基材料到錫層之間的接觸層產(chǎn)生一硬且均勻的金屬間相,它保證了非常好的附著率,改善了摩擦特性[1-4]。熱浸鍍錫銅帶的生產(chǎn)過程決定了其必然會產(chǎn)生IMC,因此,研究銅及銅合金帶材的熱浸鍍錫工藝對IMC厚度及形貌的影響,從而優(yōu)化熱浸鍍錫工藝,獲得產(chǎn)品的最佳IMC,具有十分重要的現(xiàn)實意義。

錫是白色且有金屬光澤的金屬,具有耐變色、柔軟、無毒和延展性好等特點,錫鍍層具有優(yōu)良的耐蝕性、可焊性和裝飾性。銅帶材熱浸鍍錫起源于歐洲,是以物理方式使熔融的錫液均勻地鍍在銅材表面,熱浸鍍錫過程是金屬基體與鍍層金屬之間通過互滲、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散等方式形成冶金結(jié)合的合金鍍層[5]。因此,鍍層與基體之間有很好的結(jié)合力,與電鍍和化學(xué)鍍相比,熱浸鍍錫的鍍層較厚,其耐腐蝕性能也有較大提高。此外,熱浸鍍錫能有效抑制錫須的生長,從而避免精密元件因錫須生長而短路。熱浸鍍錫銅帶由于其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于汽車電子、精密儀器、家電等行業(yè)。

銅帶熱浸鍍錫的IMC層能夠提高錫層和基材的結(jié)合力,但過厚的IMC層,使鍍錫層產(chǎn)生合金硬化,降低材料的焊接性能,并且會降低材料的抗腐蝕性能,使材料在最終端子接插時接觸電阻增大。結(jié)合對國外熱浸鍍錫及終端客戶對熱鍍錫材料的要求,理想的IMC層厚度約占鍍層厚度的1/5～2/5。

筆者通過長期的生產(chǎn)實踐,研究了熱鍍錫過程的工藝參數(shù)和錫熔體成分對錫銅元素的擴(kuò)散產(chǎn)生直接影響,進(jìn)而決定IMC的形成和生長,影響產(chǎn)品的性能。為此,本文從冷卻強(qiáng)度、熱鍍溫度、錫液銅含量三個方面進(jìn)行試驗研究,分析工藝參數(shù)對IMC層的影響。

1 冷卻強(qiáng)度對IMC層的影響

為了驗證冷卻強(qiáng)度對IMC層影響,通過控制冷卻強(qiáng)度進(jìn)行試驗。試驗以厚度0.32mm、寬度305mm的C5111錫青銅帶分別在高、低冷卻強(qiáng)度下進(jìn)行,鍍錫厚度控制為2μm。為排除其它外在因素干擾,試驗在同一卷材料上進(jìn)行,帶頭試驗時采用150℃/s的低冷卻強(qiáng)度,試驗至一半時,采用280℃/s的高冷卻強(qiáng)度,試驗時速度、溫度、錫液成分等其他變量保持一致。材料熱鍍結(jié)束后,分別取高、低冷卻強(qiáng)度的樣品觀察IMC層。

對IMC層的觀察,由于手工砂紙研磨精度難以區(qū)分錫層中純錫層與合金層,且手工拋光會導(dǎo)致錫層延展,最終采用氬離子研磨儀制樣。氬離子切割制樣是利用氬離子束來切割樣品,以獲得相比FIB制樣(通常十幾微米)面積更大的電子顯微分析區(qū)域。然后用掃描電鏡進(jìn)行觀察,觀察結(jié)果分別如圖1所示。從圖中可以看出,熱鍍錫銅帶的鍍層主要由銅材、IMC層、純錫層三部分組成。圖1(a)為低冷卻強(qiáng)度鍍層,其IMC層厚度約占整個錫層厚度的1/2,其余為純錫層,存在少量的游離的合金層。圖1(b)是在高冷卻強(qiáng)度下的鍍層,其IMC層厚度達(dá)到理論最佳水平,約占整個鍍層厚度的1/5,純錫層占整個鍍錫層厚度4/5,同樣也存在少量的游離合金層?？梢钥闯?低冷卻強(qiáng)度的IMC合金層厚度要明顯大于高冷卻強(qiáng)度,主要原因是高的冷卻強(qiáng)度限制了Cu、Sn原子的熱擴(kuò)散,導(dǎo)致Cu6Sn5合金層厚度變薄。因此,要控制理想的IMC合金層厚度,需要采用較高的冷卻強(qiáng)度。

2 熱鍍溫度對IMC層的影響

溫度是影響金屬間擴(kuò)散速度的重要因素,為研究熱鍍溫度對IMC層的影響,試驗同樣以厚度0.32mm、寬度305mm的C5111錫青銅帶進(jìn)行試驗。試驗中錫液成分、帶材速度、冷卻強(qiáng)度保持一致,分別以265℃、300℃兩種溫度進(jìn)行對比試驗。試驗后取樣,通過掃描電鏡分別觀察鍍層。圖2為兩種溫度下的鍍層形貌?？梢钥闯?265℃和300℃試驗條件下的IMC層厚度相當(dāng),但300℃實驗條件的IMC層存在個別凸出點,甚至延伸到鍍層表面,且在純錫層中夾雜著大量的游離合金。從試驗結(jié)果得知,熱鍍錫溫度越高,IMC層厚度均勻性越差,同時純錫中游離的Cu6Sn5合金變多。

圖2 不同熱鍍溫度下的鍍層形貌

3 錫液中含銅量對IMC層的影響

根據(jù)菲克第一定律,濃度是擴(kuò)散的驅(qū)動力。為研究錫液中銅含量對IMC層的影響,試驗以厚度0.32mm、寬度305mm的C5111錫青銅帶進(jìn)行,保持熱鍍溫度、帶材速度、冷卻強(qiáng)度等參數(shù)一致,分別采用含銅量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為0.02%和1.2%兩種在實際生產(chǎn)中極易控制的錫液成分進(jìn)行熱鍍試驗。試驗結(jié)果表明,在含銅量為0.02%和1.2%的兩種濃度錫液條件下熱鍍,鍍錫的IMC層厚度基本相當(dāng), Cu含量0.02%的錫液時存在少量游離合金,此游離合金為Cu6Sn5,鍍層掃描電鏡如圖3所示。錫液中Cu的含量高,在熱鍍時易形成Cu6Sn5,造成鍍錫的純錫層中游離的Cu6Sn5多。錫液中Cu含量高時IMC層的厚度相對均勻。

圖3 不同含銅量下的鍍層形貌

4 熱浸鍍錫銅帶鍍層的抗老化性能

熱浸鍍錫銅帶在后續(xù)的使用過程中,往往需經(jīng)過沖壓成端子、壓接、注塑等過程到最終裝配到汽車、家電行業(yè)的產(chǎn)品中,因此熱浸鍍錫銅帶的IMC層會受環(huán)境的影響逐漸增長。當(dāng)純錫層完全增長成IMC層時,也就是所說的錫層完全合金化時,則容易產(chǎn)生裂紋,顯著降低抗腐蝕性能,特別是在接插件中,會導(dǎo)致接觸電阻升高,最終導(dǎo)致接觸不良。為此,本文為研究IMC層增長,對不同IMC厚度分別進(jìn)行500h、1000h高溫烘烤(130℃)的加速老化試驗,觀察材料IMC層的變化趨勢,從而判斷產(chǎn)品的性能,在生產(chǎn)中優(yōu)化產(chǎn)品的IMC層。鍍層試驗結(jié)果見表1。從表1可知,經(jīng)過500h、130℃高溫烘烤后,兩組樣品的IMC層都存在生長現(xiàn)象。經(jīng)過1000h高溫試驗后,低冷卻強(qiáng)度IMC層已經(jīng)增長至純錫層頂端,只剩下少數(shù)幾個區(qū)域沒有合金化,高冷卻強(qiáng)度IMC層生長至鍍層3/5厚度處。從老化試驗結(jié)果來看,IMC層的生長受到IMC層原始厚度的影響,即原始的IMC層厚度越厚,IMC層生產(chǎn)越快,反之越慢。

表1 經(jīng)高溫烘烤試驗后鍍層形貌

5 結(jié)論

(1)熱鍍錫中IMC層的厚度與冷卻強(qiáng)度有關(guān),冷卻強(qiáng)度低,IMC層厚,反之薄;

(2)在一定溫度范圍內(nèi),高的溫度對IMC層厚度均勻性的影響大,且會增加純錫層中的游離Cu6Sn5;

(3)錫液中Cu的濃度對IMC層厚度的均勻性有明顯影響,高濃度的Cu會增加純錫層中游離的Cu6Sn5;

(4)原始IMC層的厚度對其老化性能影響明顯,原始厚度越厚,抗老化能力越弱,反之越強(qiáng)。