Sn-37Pb-Ni界面反应行为的相图计算分析

第２７卷第６期焊接学报ｖ０１．２７Ｎｏ．６２００６年６月ＴＲＡＮＳＡＣｌｌＯＮＳＯＦＴＨＥＣｍＮＡ礴砸ＬＤＩＮＧＩＮＳ，ＩＴ兀ＪｒｌｌＯＮＪｕｎｅ２Ｏ０６

Ｓｎ一３７Ｐｂ／Ｎｉ界面反应行为的相图计算分析

孙凤莲，梁英，王丽凤

（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，哈尔滨１５００４０）

摘要：采用１１１ｅ耵ｎｏ．ｃａｌｃ软件及相关数据库，将相图计算应用到ｓｎ－Ｐｂ共晶焊料与Ｎｉ

基体的界面反应行为的分析当中。依据局部平衡理论，通过亚稳平衡状态的计算和中

间相形成驱动力大小的比较，预测出了５００Ｋ焊接温度下Ｓｎ－３７Ｐｂ与Ｎｉ基体界面处金

属间化合物的形成序列为Ｎｉ３ｓｎ４一Ｎｉ３‰一Ｎｉ３ｓｎ。通过ｓｎ＿Ｐｂ＿Ｎｉ三元系５００Ｋ和４２３Ｋ

下等温截面的计算，预测出了润湿反应和固态时效反应过程中系统的相转变的情况。

计算与试验结果吻合较好。

关键词：Ｓｎ—Ｐｂ／Ｎｉ界面反应；热力学计算；相图；金属间化合物．一

中图分类号：‘嗍．１文献标识码：Ａ文章编号：０巧３—３６０ｘ（２００６）０６—０２９一０４…’’一

Ｏ序言

电子行业中，传统的ｓｎ—Ｐｂ系软焊料在电子工

业中一直得到重用，目前也是微电子组装与封装中应用最广泛的材料之一。通过大量试验的积累，人们对Ｓｎ—Ｐｂ焊料的研究已经相当成熟¨ｑＪ，但是显然耗费了大量的人力物力，试验结果受人为、环境影响也较大。近些年来日趋成熟的相图计算方法（ＣＡＩ麒ＡＤ），是以热力学为基础，最大限度地利用

试验数据计算相平衡和相图的方法，尤其对试验无法准确测得的多元合金系相图，ｃＡＩ删ＡＤ外推的思想能够很好地加以解决。针对于焊料合金体系，人们开发出的系列子程序还能够预测影响液态钎料润湿性的表面张力和粘度，模拟出液态钎料的非平衡凝固过程等ＨＪ，更为精确、科学。但是前提是必须具备可靠的数据库，并将热力学与动力学有机的结合起来，以达到准确预测和理论指导的目的。

在焊接过程中，钎料与不同基体材料的界面反应行为是影响接头可靠性的直接原因。由于常用Ｃｕ焊盘与Ｓｎ基钎料极易发生反应生成Ｃｕ—Ｓｎ金属间化合物，而且这种化合物的生长速度非常快，过厚的金属化合物层会对接头可靠性产生不利影响。Ｎｉ镀层被认为是ｃｕ焊盘表面扩散阻挡层的最佳选择。过去人们对Ｓｎ基钎料与含Ｎｉ镀层之间的界面反应做了大量研究，文献［５］研究了熔融的ｓｎＰｂ钎料由固定高度滴落到Ａｕ／Ｎｉ／ｃｕ焊盘上的温度变化

收稿日期：２００５一０５—２８

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７５０６０）过程和界面反应情况。文献［６］采用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）分析了激光加热条件ｓｎＰｂ共晶钎料与Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｕ焊盘之间的界面反应，探讨了钎料与Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｕ界面处金属间化合物的形成机理。以上多是从先进的试验手段上进行突破。作者采用商业计算软件‰Ⅱｎ０一Ｃａｌｃ及相关数据库，通过相图计算方法对ｓｎ—Ｐｂ共晶焊料与Ｎｉ基体的界面反应行为进行分析，以解释和预测试验中遇到的现象，为避免界面反应中有害相的生成和为焊接、热处理温度等工艺参数的正确选择提供理论依据。

１计算与讨论

１．１界面处润湿反应的计算

钎料与基体之间的反应，包括润湿反应和固态老化反应。在润湿反应过程中，体系经历超过焊料熔点的温度区间的时间约０．５—１ｍｉｎ。文中所研究的是处于５００Ｋ的反应。

局部平衡理论：在大多数扩散连接的界面反应中，一个重要的理论假设就是表面状态的局部平衡。这种平衡可由二元合金相图中的两相平衡区表示，或由三元合金等温相图中的平衡线表示。因此，三元系中界面反应可以由相图中的几个两相平衡线组成的反应路径来描述。由于反应初期基体元素向液态焊料中的扩散速度要远远大于液态焊料成分向基体金属中的扩散速度，可以认为焊料／基板界面处的

液态焊料元素的组成基本保持不变。假设界面处发

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