нию на границе контакта припой-медь интер-металлида Cu6Sn5, физические и механиче-ские свойства которого существенно отлича-ются от свойств припоя в целом.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.

Ползуновский альманах № 4 2016

137

УДК 538.911


ОБРАЗОВАНИЕ И ОРИЕНТИРОВАННЫЙ РОСТ

ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Cu
6
Sn
5

ПРИ ЖИДКОФАЗНОЙ РЕАКЦИИ

В ДВУХСЛОЙНОМ БИМЕТАЛЛЕ Cu/Sn


Т. Ш. Мноян, В. А. Колпакова, В. Ю. Косарев, Б. Ф. Демьянов

Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова,

г. Барнаул
, Россия


В работе исследован процесс жидкофазного синтеза интерметаллической фазы Cu
6
Sn
5

в системе Cu
-
Sn.
Проведенные исследования показали, что синтез интерметаллической
фазы Cu
6
Sn
5

на границе раздела
твердая медь/жидкое олово происходит с образованием «гребешковой» структуры, рост кристаллов
Cu
6
Sn
5

идет из множества центров в направлении перпендикулярном границе раздела. Определены ос
о-
бенности роста и формирования структу
ры слоя Cu
6
Sn
5
. Измерена зависимость среднего размера слоя
интерметаллида от времени синтеза при температуре 300

о
C.


Ключевые слова:

жидкофазная реакция, интерметаллид Cu
6
Sn
5
, медь, олово, припой


FORMATION
AND THE FOCUSED GROWTH

Cu
6
Sn
5

INTERMETALLIDA AT LIQUID
-
PHASE REACTION

IN TWO
-


T
.
S
.
Mnojan
,
V
.
A
.
Kolpakova
,
V
.
Y
.
Kosarev, B. F. Demjanov

Altai State Technical University, Barnaul, Russia


In work process of liquid
-
phase synthesis of the intermetallic phase Cu
6
Sn
5

in the Cu
-
Sn system is investigated.


Keywords:

liquid
-
phase reaction, Cu
6
Sn
5
, copper, tin, solder


Олово является основой припоев, те
м-
пература плавления олова


231,93

о
C

[1].
Ранее для понижения температуры плавл
е-
ния с оловом использовался свинец. Сплавы
Sn
-
Pb широко использовались в качестве
припоя при изготовлении элементов микр
о-
электроники [2]. В последнее время на и
с-
пользование свинца введен запрет из
-
за уж
е-
сточения экологических и токсикологических
норм в мире
. Сейчас в качестве микродоб
а-
вок, заменяющих свинец, стали использовать
серебро и медь. Наиболее популярны в
настоящее время сплавы олово

серебро (Sn
-
Ag), олово

серебро
-
медь (Sn
-
Ag
-
Cu), олово

медь (Sn
-
Cu), а также чистое олово.

Однако использование припоев

Cu
-
Sn

и
чистого
Sn

привело к возникновению допо
л-
нительных проблем. Выяснилось, что между
припоем и спаиваемыми медными элемент
а-
ми идет интенсивная реакция между
Cu

и
Sn
,
которая раньше сдерживалась присутствием
в припое свинца. Это приводит к образов
а-
нию
на границе контакта припой
-
медь инте
р-
металлида
Cu
6
Sn
5
, физические и механич
е-
ские свойства которого существенно отлич
а-
ются от свойств припоя в целом. Высокая
хрупкость интерметаллических фаз снижает
механическую надежность соединения эле
к-
тронных элементов [
3



6]. Количество и
н-
терметаллической фазы зависит от ряда
факторов, главным из которых является те
м-
пература работы элементов электроники,
действие этих факторов еще плохо изучено.

Интерес к системе
Cu
-
Sn

связан не
только с ее использованием в электронике,

но и со структурными особенностями образ
о-
вания интерметаллических фаз на границе
раздела
Cu
/
Sn
. Как известно,
Cu

интенсивно
диффундирует в слой
Sn

уже при относ
и-
тельно невысоких температурах. Этот пр
о-
цесс сопровождается формированием орие
н-
тированных столб
чатых структур фазы
Cu
6
Sn
5

с диаметром от десятков до нескол
ь-
ких микрометров [7,

8]. Механизмы ориент
и-


Т. Ш. МНОЯН, В. А. К
ОЛПАКОВА, В. Ю. КОСА
РЕВ, Б. Ф. ДЕМЬЯНОВ


138

Ползуновский альманах № 4 2016

рованного роста интерметаллидов и форм
и-
рования столбчатых структур в настоящее
время слабо изучены. Поэтому существует
значительный интерес в исследовании

кин
е-
тики процессов роста столбчатых кристаллов
интерметаллической фазы
Cu
6
Sn
5

не только с
точки зрения надежности электронных с
и-
стем, но и для понимания природы этих реа
к-
ций. Большинство исследований выполнено
для твердого состояния металлов, знач
и-
тельно
меньше исследований проведено для
случая твердая медь
-
жидкое олово.

В настоящей работе исследуется пр
о-
цесс жидкофазного синтеза интерметаллич
е-
ской фазы Cu
6
Sn
5

в системе Cu
-
Sn, ее орие
н-
тированного роста и образования микрокр
и-
сталлической столбчатой структур
ы.

Для приготовления образцов использ
о-
вались пластины прокатанной меди толщ
и-
ной 1 мм. Для удаления окисла с поверхности
медных пластин все образцы поочередно
протравили азотной кислотой HNO
3
, промыли
их дистиллированной водой для удаления
кислоты и продукт
ов реакции, а далее обр
а-
ботали спиртом. Затем подготовленные ме
д-
ные подложки на 5 секунд погрузили в тигель
с расплавленным оловом. При этом на п
о-
верхности подложки образуется тонкий слой
олова, препятствующий образованию окси
д-
ной пленки. На втором этапе н
а поверхность
образцов наплавлялся слой олова толщиной
1



2

мм. Подготовленные таким образом б
и-
металлические образцы помещались в печь и
выдерживались при температуре 300

ºС в
течение заданного времени. Температура
обработки выбиралась таким образом, чтоб
ы
она была выше температуры плавления Sn
(232

ºС) но ниже температуры плавления
Cu
6
Sn
5

(415

ºС). После завершения термоо
б-
работки образцы остывали естественным п
у-
тем. Время выдержки в печи составляло 5,
10, 30 и 60 мин

В процессе термообработки на границе
раздела медь
-
олово происходит синтез и
н-
терметаллической фазы Cu
6
Sn
5
. Для Cu
6
Sn
5

существует две разные кристаллические
структуры: гексагональная и моноклинная.
Гексагональная фаза является высокотемп
е-
ратурной, а моноклинная


низкотемперату
р-
ной. Согласно фа
зовой диаграмме Cu
-
Sn,
аллотропное превращение происходит при
нагреве выше 187,6

о
C
, при этом монокли
н-
ная кристаллическая структура полностью
трансформируется в гексагональную структ
у-
ру. Считается, что во время пайки и посл
е-
дующем охлаждении не хватает вре
мени для
трансформации в низкотемпературную мон
о-
клинную структуру и Cu
6
Sn
5

остается в гекс
а-
гональной фазе в метастабильном состо
я-
нии, соответствующем высокой температуре.
Из
-
за необходимости изменения объема при
превращении и возникновения деформации
решет
ки, трансформация не происходит в
течение длительных сроков даже при темп
е-
ратурах близких к комнатной.

Сечения границы раздела медь
-
олово
были исследованы в оптическом микроскопе.
На рис
унке
1 приведена микроструктура о
б-
разца после 5 мин нагрева. Видно, чт
о за т
а-
кое короткое время произошло образование
кристаллов фазы
Cu
6
Sn
5
. Структура интерм
е-
таллической фазы имеет равномерный х
а-
рактер по всему сечению образца. Образ
о-
вавшиеся кристаллы
Cu
6
Sn
5
имеют близкие
размеры. Рост кристаллов
Cu
6
Sn
5

происходит
в олово.

Преимущественно наблюдается гр
е-
бешковая структура, при которой кристаллы
вытянуты и выстроены в ряд, как показано на
рис
унке

1а. После 5 минут роста кристаллы
близки к равноосным.



Рис
унок
1



Общий

вид границы раздела (а
) и особенности структуры (б). Выдержка 5 мин


Встречаются области, в которых пр
а-
вильная структура роста нарушена. На рис
у
н-
ке
1б показано типичное распределение кр
и-
сталлов фазы
Cu
6
Sn
5
по морфологии. Размер
кристаллов был опред
елен по двум напра
в-
лениям: по высоте и по ширине. Присутств
у-


ОБРАЗОВАНИЕ И
ОРИЕНТИРОВАННЫЙ РОСТ

ИНТЕРМЕТАЛЛИДА CU
6
SN
5


ПРИ ЖИДКОФАЗНОЙ РЕАК
ЦИИ В ДВУХСЛОЙНОМ БИ
МЕТАЛЛЕ CU/SN

Ползуновский альманах № 4 2016

139

ют следующие структуры, показанные на р
и-
с
унке
1б: мелкозернистые структуры (1),
сферические кристаллы диаметром 6 мкм (2,

7,

10), отсутствие фазы
Cu
6
Sn
5

(или мелк
о-
зернистая структура менее 1 мкм)
(3,

9), ш
и-
рокие кристаллы (высота 5 мкм, ширина 10
мкм) (4), вытянутые кристаллы (высота 5 мкм,
ширина 3,5мкм) (5,

8), мелкие кристаллы
размером 2 мкм (6).

Структура границы раздела
Cu
/
Sn

после
выдержки 10 мин приведена на рис
унке

2.
Структура также имеет
однородный характер
по всему сечению образца. Кристаллы
Cu
6
Sn
5
можно разграничить на крупные и малые (для
времени реакции 10 минут). Крупные кр
и-
сталлы имеют примерно одинаковые разм
е-
ры. Доля крупных кристаллов в разы больше
чем малых кристаллов. Наблюдаетс
я гр
е-
бешковая структура, при которой кристаллы
выстроены в ряд, как показано на рис
унке

2.
Кристаллы
Cu
6
Sn
5

занимают всю поверхность
медной подложки. Минимальный приграни
ч-
ный слой в сечении образца имеет размер
приблизительно 0,7 мкм. Можно выделить
следу
ющие области: мелкие кристаллы в
тонком слое, прилегающем к границе раздела
(область А), крупные кристаллы (область В),
кристаллы с одинаковой ориентацией оси
роста (область С). Размер кристаллов в о
б-
ласти В достигает 11 мкм.

Форма и размеры кристаллов ва
рьируют
в небольших пределах. Можно выделить
следующие особенности морфологии кр
и-
сталлов. Присутствуют крупные кристаллы
сферической формы (размер 6 мкм), есть о
б-
ласти мелкозернистой структуры с размером
кристаллов менее 1 мкм

(1,

3). Часто встр
е-
чаются кру
пные вытянутые кристаллы выс
о-
той 11 мкм и шириной 4 мкм. На рис
унке
2
также можно видеть кристаллы, у которых
появляется огранка.

Выдержка в течение 30 минут приводит к
дальнейшему росту кристаллов и менее ра
в-
номерному их распределению по сечению
образца (
рисунок 3). Кристаллы
Cu
6
Sn
5
можно
разграничить на крупные и малые. Размеры
крупных кристаллов варьируются в широких
пределах. Процентное соотношение крупных
кристаллов к малым составляет около 50

%
Крупные кристаллы выстроены хаотически,
как видно из рису
нка 3. Кристаллы
Cu
6
Sn
5

занимают всю поверхность меди. На рисунке
3 показаны области в которых образуется
мелкие кристаллы в слое прилегающем к
границе раздела(область А), выросшие кру
п-
ные кристаллы (область В), кристаллы с од
и-
наковой ориентацией направлен
ия роста (о
б-
ласть С). Также можно отметить различно
ориентированные кристаллы, выросшие из
одного основания (область
D
). Размер кр
и-
сталлов в области В составляет в среднем
18,5 мкм.

На рисунке 3 представлено типичное
распределение кристаллов фазы
Cu
6
Sn
5
п
о
морфологии. Присутствуют крупные криста
л-
лы сферической формы, мелкозернистые о
б-
ласти, крупные вытянутые кристаллы. Поя
в-
ляется большое количество кристаллов,
имеющих огранку.

Структура границы раздела
Cu
/
Sn

после
выдержки 60 мин приведена на рисунке 4.
Ст
руктура имеет кристаллы различного ра
з-
меры, в целом присутствует неравноме
р-
ность структуры по сечению образца. Кр
и-
сталлы
Cu
6
Sn
5
можно разграничить на выт
я-
нутые и малые. Размеры вытянутых криста
л-
лов варьируются в широких пределах. Малые
кристаллы преобладаю
т. Кристаллы выстр
о-
ены хаотически.

На рисунке 4 показаны области в кот
о-
рых образуется мелкие кристаллы в слое
прилегающем к границе раздела (область А),
выросшие крупные кристаллы (область В),
кристаллы с одинаковой ориентацией (о
б-
ласть С) и участки с нару
шенной структурой
роста (область
D
). Размер кристаллов в о
б-
ласти В составлял 14,7 мкм. Можно выделить
следующие типичные распределения кр
и-
сталлов фазы
Cu
6
Sn
5
по морфологии. В
структуре присутствует мелкозернистые
участки с размером зерен около 1 мкм, шир
о-
к
ие вытянутые кристаллы, узкие вытянутые
кристаллы игольчатой формы. Часто встр
е-
чаются кристаллы средних размеров, образуя
гребешковую структуру.

Представляет большой интерес опред
е-
ление скорости и глубины проникновения ат
о-
мов меди в олово. Определить глуби
ну пр
о-
никновения по фазовой структуре, предста
в-
ленной оптическими микрофотографиями, н
е-
возможно. Можно найти границу концентрации
атомов меди, достаточной для образования
интерметаллида
Cu
6
Sn
5
. Для этого были
определены средние значения толщины
H

слоя
Cu
6
Sn
5

при значениях времени выдержки
5, 10, 30 и 60 мин. В начальный момент вр
е-
мени считаем, что толщина слоя равна нулю.
На рисунке 5 приведен график зависимости
средней толщины интерметаллического слоя
от времени реакции при температуре 300

о
C
.
Видно, что
график представляет кривую с о
б-
ластью насыщения. Рост толщины идет с н
е-
которой скоростью, которая уменьшается и
при 30 минутах практически выходит на нас
ы-


Т. Ш. МНОЯН, В. А. К
ОЛПАКОВА, В. Ю. КОСА
РЕВ, Б. Ф. ДЕМЬЯНОВ


140

Ползуновский альманах № 4 2016

щение, затем толщина интерметаллического
слоя растет медленно. Такую зависимость
можно объяснить тем,
что после формиров
а-
ния интерметаллического слоя, скорость
диффузии падает. Высокая скорость дифф
у-
зии через жидкую фазу сменяется низкой ск
о-
ростью диффузии через кристаллическую р
е-
шетку твердой фазы
Cu
6
Sn
5
.



Рис
унок
2



Структура

границы раздела
Cu
/
Sn

после выдержки 10 мин



Рис
унок

3



Структура

границы раздела
Cu
/
Sn

после выдержки 30 мин



Рис
унок
4



Структура

границы раздела
Cu
/
Sn

после выдержки 60 мин






ОБРАЗОВАНИЕ И
ОРИЕНТИРОВАННЫЙ РОСТ

ИНТЕРМЕТАЛЛИДА CU
6
SN
5


ПРИ ЖИДКОФАЗНОЙ РЕАК
ЦИИ В ДВУХСЛОЙНОМ БИ
МЕТАЛЛЕ CU/SN

Ползуновский альманах № 4 2016

141



Рис
унок

5



График

зависимости средней
толщины
H

интерметаллического слоя от
времени реакции при температуре 300

о
C






Проведенные исследования показали,
что синтез интерметаллической фазы
Cu
6
Sn
5
на границе раздела твердая медь/жидкое
олово происходит с образованием «гребе
ш-
ковой» структуры: рост слоя
Cu
6
Sn
5

идет из
множества центров в направлении перпенд
и-
кулярном границе раздела. С течением вр
е-
мени формируется неоднородная структура,
включающая как крупные, одинаково орие
н-
тированные кристаллы
Cu
6
Sn
5
, так и мелкие,
хаотическ
и распределенные, неориентир
о-
ванные кристаллы. Определена зависимость
среднего размера слоя интерметаллида от
времени синтеза при температуре 300

о
C
. На
начальной стадии идет быстрый рост слоя,
при достижении толщины слоя интермета
л-
лида 18

мкм скорость
роста уменьшается.
Это связано с тем, что на начальной стадии
диффузия атомов меди в олово проходит ч
е-
рез жидкую фазу, а на второй стадии дифф
у-
зия идет через слой твердой фазы
Cu
6
Sn
5
.

Исследование микроструктуры выполнено в
межкафедральном лабораторном к
омплексе
«Центр коллективного пользования лабор
а-
торно
-
исследовательским оборудованием»
факультета специальных технологий Алта
й-
ского государственного технического униве
р-
ситета им. И. И. Ползунова.


Список литературы

1.

Курдюмов

А. В., Белов В. Д., Пикунов М. В.
Производство отливок из сплавов цветных мета
л-
лов.


МИСИС, 2011 г.


615 с.

2.

Готра З.Ю. Технология микроэлектронных
устройств.


М.: Издательство «Радио и связь» Р
е-
дакция литературы по электронике, 1991г.

526 с.

3.

Bertheau
J., Hodaj F., Hotellier N., Charbo
n-
nier J. Effect of intermetallic compound thickness on
shear strength of 25 mkm diameter Cu
-
pillars // Inte
r-
metallics, 2014, V. 51, p. 37
-

47.

4.

Yoon J.
-
W., Kim S.
-
W., Koo J.
-
M. Reliability
Investigation and Interfacial
Reaction of Ball
-
Grid
-
Array Packages Using the Lead
-
Free Sn
-

Cu Solder
// Journal of Electronic Materials, 2004, Vol. 33, No.
10, p. 1190
-

1199.

5.

Lee H.
-
T., Chen M.
-
H., Jao, T.
-
L. Liao H.
-
M.
Influence of interfacial intermetallic compound on fra
c-
ture beha
vior of solder joints // Materials and Eng
i-
neering, 2003,V. 358, p. 134
-

141.

6.

Hsuan T.
-
C., Lin K.
-
L. Effects of aging trea
t-
ment on mechanical properties and microstructure of
Sn
-
8.5Zn
-
0.5Ag
-
0.01Al
-
0.1Ga Solder // Materials Sc
i-
ence and Engineering, 2007, V
. 456, p. 202
-

209.

7.

Choudhury S. F., Ladani L Grain Growth Or
i-
entation and Anisotropy in Cu6Sn5 Intermetallic:
Nanoindentation and Electron Backscatter Diffraction
Analysis // Journal of Electronic Materials, 2014, V.43,
No. 4, p. 996
-

1004.

8.

Jiang L., Ji
ang H., Chawla N. The Effect of
Crystallographic Orientation on the Mechanical B
e-
ha
v
ior of Cu6Sn5 by Micropillar Compression Testing
// Journal of Electronic Materials, 2012, V. 41, No. 8,
p. 2083
-

2088.


Мноян Татул Ширакович



магистрант

Колпакова Верон
ика Александровна



магистрант

Косарев Вячеслав Юрьевич



магистрант

Демьянов Борис Федорович



д. ф.


м. н.,

профессор

ФГБОУ ВО «Алтайский государственный

технический университет им. И. И. Ползунова»

(АлтГТУ), г. Барнаул, Россия


Приложенные файлы

  • pdf 9502319
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий