纳米颗粒对焊料中金属间化合物的晶粒和厚度的影响

通过研究在Sn-3Ag基无铅焊料中加入Co、Ni、Pt、Al、P、Cu、Zn、Ge、Ag、In、Sb或Au的纳米颗粒后的现象，可以探索这些纳米颗粒是否会影响四次回流焊后金属间化合物的厚度和晶粒大小。本研究中，这些样品焊球通过回流焊（最高温度为245℃）连接到有机的可焊接的保护性铜焊盘上。

图13.1所示为实验样品制备过程，用来观察焊料中金属间化合物的晶粒大小和厚度。在进行回流焊工艺之后，就是切除焊球及通过砂纸打磨断面。为了把金属间化合物暴露出来，需要用Meltex HN-980M对焊球进行化学蚀刻。然后，在水中通过超声波清洗样品两次。随后就可以采用电子扫描显微镜来观察金属间化合物的晶粒大小和厚度。

图13.1 金属间化合物样品制备过程

图13.2所示为利用Sn3.0Ag焊料获得的金属间化合物，图a和图b分别是一次回流焊后金属间化合物的俯视图和横截面图，图c和图d分别是四次回流焊后金属间化合物的俯视图和横截面图。（金属间化合物样品的图a到图d都是在相同条件下拍摄的。）与一次回流焊相比，四次回流焊增加了金属间化合物样品的晶粒大小和厚度。

图13.2 Sn3.0Ag一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的俯视图

图13.3所示为利用Sn3.0Ag0.05Al焊料获得的金属间化合物。与一次回流焊相比，四次回流焊增加了该金属间化合物样品的晶粒大小和厚度。在Sn3.0Ag中添加铝前后，金属间化合物的晶粒大小和厚度没有明显的差别。但添加铝所形成的Sn3.0Ag0.05Al焊料中也能观察到一些空洞。这些空洞可能是由于出现铝氧化而形成的，因为铝很容易被氧化。根据实验结果，可以得出如下结论：与不含铝的样品相比，在Sn3.0Ag焊料中添加铝不会减小金属间化合物的晶粒大小和厚度。

图13.4所示为利用Sn3.0Ag0.03Ni焊料获得的金属间化合物。无论是否在Sn3.0Ag焊料添加镍，金属间化合物的晶粒大小和厚度不会有显著的变化。在向Sn3.0Ag焊料中添加镍（0.03wt%）后，四次回流焊后金属间化合物的晶粒大小和厚度会减小。根据实验结果，可以得出如下结论：在Sn3.0Ag中添加镍（尤其是添加0.03wt%的镍）能有效地减小其金属间化合物的晶粒大小和厚度。

图13.5所示为利用Sn3.0Ag0.5Cu焊料获得的金属间化合物。无论是否在

图13.3 Sn3.0Ag0.05Al一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

图13.4 Sn3.0Ag0.03Ni一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

Sn3.0Ag焊料添加铜，从一次回流焊到四次回流焊，金属间氧化物的晶粒大小和厚度均没有明显的差别。因此，可以得出如下结论：在Sn3.0Ag焊料中添加铜几乎不影响其金属间化合物的晶粒大小和厚度。

图13.5 Sn3.0Ag0.5Cu一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

图13.6 Sn3.0Ag0.03Co一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

图13.6所示为利用Sn3.0Ag0.03Co焊料获得的金属间化合物。从图可知，与Sn3.0Ag中未添加纳米钴颗粒的情况相比，在Sn3.0Ag中添加纳米钴颗粒后，四次回流焊后金属间化合物的晶粒大小和厚度明显地减小了。

图13.7所示为利用Sn3.0Ag0.3In获得的金属间化合物。无论是否在Sn3.0Ag焊料添加铟，从一次回流焊到四次回流焊，金属间化合物的晶粒大小和厚度变化均没有明显的差别。因此，可以得出如下结论：在Sn3.0Ag中添加纳米铟纳米颗粒几乎不影响金属间化合物的晶粒大小和厚度。

图13.7 Sn3.0Ag0.3In一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图(www.xing528.com)

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

图13.8所示为利用Sn3.0Ag0.3Sb获得的金属间化合物。无锑Sn3.0Ag和添加有纳米锑纳米颗粒的Sn3.0Ag相比，从一次回流焊到四次回流焊，金属间化合物的晶粒大小和厚度变化没有明显的差别。因此，可以得出如下结论：在Sn3.0Ag添加纳米锑纳米颗粒几乎不影响金属间化合物的晶粒大小和厚度。

图13.9所示为利用Sn3.0Ag0.1Zn获得的金属间化合物。从一次回流焊到四次回流焊，无锌Sn3.0Ag和添加有纳米锌颗粒的Sn3.0Ag相比，金属间化合物的晶粒大小和厚度的变化没有明显的差别。和添加铝一样，可以观察到样品中有一些间隙的存在。这可能是由于锌氧化而形成的。因为锌很容易被氧化。可以从图片上看到，在Sn3.0Ag添加纳米锌颗粒几乎不影响金属间化合物的晶粒大小和厚度。

图13.10和图13.11所示分别为利用Sn3.0Ag0.03P和Sn3.0Ag0.1Au获得的金属间化合物。从一次回流焊到四次回流焊，金和磷并不能阻止金属间氧化物晶粒大小和厚度的增加。因此可知，在Sn3.0Ag添加纳米金或磷颗粒几乎不影响金属间化合物的晶粒大小和厚度。

图13.8 Sn3.0Ag0.3Sb一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

图13.9　Sn3.0Ag0.1Zn一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

图13.10 Sn3.0Ag0.03P一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

图13.11 Sn3.0Ag0.1Au一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

图13.12和图13.13所示分别为利用Sn3.0Ag0.05Pt和Sn3.0Ag0.05Ge获得的

图13.12 Sn3.0Ag0.05Pt一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的俯视图和横截面图

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

图13.13 Sn3.0Ag0.05Ge一次回流焊和四次回流焊后的金属间化合物的元素分析结果

a）一次回流焊后金属间化合物的俯视图 b）一次回流焊后金属间化合物的横截面图 c）四次回流焊后金属间化合物的俯视图 d）四次回流焊后金属间化合物的横截面图

金属间化合物。可以从图片上看到，与无铂颗粒情况相比，在四次回流焊后，添加到Sn3.0Ag中的纳米铂颗粒能够有效减小金属间氧化物晶粒大小和厚度。然而，从一次到四次回流焊中，锗并不能阻止金属间氧化物晶粒大小和厚度的增加。

表13.1概括了在Sn3.0Ag中添加纳米颗粒前后，样品金属间化合物的晶粒大小和厚度的比较结果，也显示了一次回流焊和四次回流焊后样品的金属间化合物的晶粒大小和厚度变化的比较。由该表可以得到，添加的镍、钴、铂可以有效地防止金属间化合物的晶粒大小和厚度的增大。

表13.1 Sn3.0Ag中添加纳米颗粒对其金属间化合物的影响的概括