Vol.15.No.1 Ag/Cu系的DIGM及迁移晶界扩散系数 49· 1990年我们用分析电子显微镜研究证实：Ag在Cu中经480℃3扩散出现DIGM3), 从而改正了Ag/Cu系没有DIGM现象的错误结论。 Ag在C山中扩散一直是电子器件技术所关注的课题，但晶界扩散系数的测定结果极 其分散4一，在较低温度相差竟达几个数量级巴。前人在对扩散微分方程作数学解时，都 把晶界看成是静止晶界来处理，而且在测定Ag的平均浓度随渗人深度变化采用剥层分析 方法，该法不区分晶界迁移。而实际试样中，静止的与移动的两类晶界共存，在Zn/Fe 与Z/Cu系的研究已证实，扩散沿着迁移晶界比沿静止晶界快2-4个数量级01心。若 Ag/Cù系也有类似规律，且在不同扩散条件下试样中静止与迁移晶界数量又有巨大差 异，可能是导致数据分散的重要原因。 本文在更宽的温度及时间范围研究了Ag/Cu系的DIGM现象，并计算了迁移晶界 及静止晶界的扩散系数。 1 实验过程 在铜块（10mm×8mm×4mm)上真空蒸镀银膜(~24m)制取扩散对。铜块从 99.99%纯铜棒上截取。蒸镀Ag膜之前，试样表面经机被研蘑及抛光，并在850℃进行 8h再结晶退火。试样经不同温度(400℃、480℃、及580℃)、不同时间(5-120h)扩散 处理。再结晶及扩散退火时，试样均装封在石英管内，在密封之前反复2-3次抽空、充 氩气，密封时氩气压力约为1Pa。 试样扩散处理后磨制成垂直于或成2°-3°角倾斜于表面的金相样，采用氨水乳酸溶 液作浸蚀剂显示晶粒界及DIGM合金区。组织观察是在光学显微镜及S250MK3扫描电 镜上进行，晶界DIGM区成分测定采用扫描电镜配有的NA-10000能谱仪。 2结果与讨论 2.1Ag在Cu中扩散诱发的DIGM及DIR现象 图(1a)为580℃3h倾斜抛光扩散对界面附近靠近铜侧的二次电子像。图(1a)的右边为 近表面侧。从图可看到，由于晶界扩散在原来粗大的铜晶粒品界上出现两种形态的灰白色 组织。(1)晶界弓弯并在其后留下了一个灰白色区。图中以字母“A”标示的透镜状的白色区 含有~2.9%Ag。离表面越远，灰白区的灰度增加，在“B”标示处仅含1.9%Ag,即往里 Ag含量下降。按Ag-Cu相图122,580℃Ag在Cu中的溶解极限约为3.2%Ag,灰白区 的Ag含量均在这极限以下，因而是Ag在Cu中的固溶体(x-固溶体)，它是由DIGM形 成的合金区。(2)比原始铜品粒细得多的灰白小晶，其中多数沿原始铜的晶界分布，白色 细小晶粒含有Ag,如图中用“C”字标示的细晶含有~2%Ag,它们是由DIR生成的新的 x-固溶体品粒。 图(1b)取自与图(1)同一视场的光学显微照片。比较两图可以请楚地看到：与二次电 子像的衬度正相反，在光镜下，灰白组织变成比基底更为黑暗，随着远离表面，合金区含 银量减少，其黑度也随之下降。l o V 一 1 5 . o N . / 1 A C g D 。 系的 及迁移晶界扩散系数 M G I 1 年我 们 用 分析电 子显微 镜研究证 实 9 9 0 : 在 A c g 中经 u D ℃ 3 扩散 出现 M 8 d G I 0 4 〔 3〕 , 从而改 正 了 A g / C u 系没 有 D I G M 现象的错 误结论 。 A g 在 C u 中扩散一直是 电子 器件技术所关 注的课 题 , 但晶界扩散系 数的 测定 结果 极 其分散1 4 一 8〕 , 在较低温度相 差竟达几 个数量缈 二 。 前人 在对扩散微 分方程 作数学 解时 , 都 把 晶界看成 是静止晶界来处理 , 而且在 测定 A g 的 平均浓 度随 渗入 深度变化 采用剥层分析 方法 , 该法不 区 分晶界迁 移 。 而实际 试样 中 , 静 止的 与移动 的两类 晶界共存 , 在 Z n / F e 与 z n / C u 系 的 研 究 已 证 实 , 扩散沿着迁移 晶界 比 沿 静止 晶界快 2一 4 个数 量级险 , 1〕 。 若 A g / c u 系 也有类似规 律 , 且 在不 同 扩 散条 件下 试 样 中静止与 迁移 晶界数量 又有 巨大差 异 , 可 能是导致 数据分散的 重要原因 。 本 文在 更 宽 的温度 及 时 间范围研究了 A g / C u 系的 D I G M 现 象 , 并 计算了迁 移晶界 及静止 晶界的扩 散系数 。 1 实 验 过 程 在铜 块 ( 10m m x sm m x 4 m m ) 上 真空 蒸 镀银 膜 ( 一 2井m ) 制 取 扩 散 对 。 铜 块从 9 . 9 % 纯 铜棒上截 取 。 蒸镀 A g 膜 之 前 , 试 样表 面经 机械研磨 及 抛光 , 并在 8 50 ℃ 进 行 h8 再 结 晶退 火 。 试样经 不 同温 度 ( 4 0 ℃ 、 4 80 ℃ 、 及 5 80 ℃ ) 、 不 同时 间 ( 5一 12 Oh) 扩 散 处理 。 再 结晶及扩散退火时 , 试样均 装封在 石 英管内 , 在 密封之前 反 复 2 一 3 次抽 空 、 充 氢气 , 密 封时 氢气压力约 为 I P ao 试样 扩 散处 理后磨 制 成垂直 于或成 2 “ 一 3 “ 角倾斜 于 表面 的金 相样 , 采用氨水 乳 酸溶 液作 浸蚀 剂 显示 晶粒 界及 D I G M 合 金 区 。 组 织 观察是 在光 学显微 镜及 S 2 5 OM K 3 扫 描 电 镜上进 行 , 晶界 D I G M 区成 分 测定 采用 扫描电镜配有 的 N A 一 10 0 0 能 谱 仪 。 2 结 果 与 讨 论 .2 1 A g 在 C u 中扩散诱发的 D I G M 及 D IR 现象 图 ( l a) 为 5 80 ℃ 3 h 倾 斜 抛光 扩散 对界 面附近靠 近铜侧的 二 次电子 像 。 图 ( l a) 的 右边为 近表 面侧 。 从图可看到 , 由于 晶界扩散在原来粗大的 铜 晶粒晶界上 出 现两种形态的灰白色 组织 。 ( l) 晶界弓 弯并在其后留下 了一个灰 白色 区 。 图 中以字母“ A ” 标示 的透镜状 的 白色区 含有 一 .2 9 % A g 。 离表 面越远 , 灰 白区 的灰 度增加 , 在 “ B ” 标示处 仅 含 1 . 9% A g , 即往里 A g 含量下 降 。 按 A g 一 c u 相图 〔 l ’ 〕 , 5 80 ℃ A g 在 c u 中的溶解极限约 为 3 . 2 % A g , 灰 白区 的 A g 含量均 在这极限 以下 , 因而是 A g 在 C u 中的 固溶体 ( : 一 固溶体 ) , 它是由 D I G M 形 成 的 合金 区 。 (2) 比原始铜 晶粒细得 多的 灰 白小 晶 , 其 中多数沿原始铜 的 晶 界分布 , 白色 细 小 晶粒含 有 A g , 如 图 中用“ C ” 字标示的 细晶含 有一 2 % A g , 它 们 是 由 D I R 生成的 新的 : 一 固溶体晶粒 。 图 ( l b) 取 自与 图 ( l a) 同 一 视场的 光学 显 微照 片 。 比较两 图可以 清 楚地看到 : 与二次 电 子像 的衬度 正相 反 , 在 光镜下 , 灰白组织变 成 比基底更 为黑 暗 , 随着远离表面 , 合 金区 含 银量减少 , 其黑 度也随之下 降