添加0.10%Ce对Sn-0.7Cu-0.5Ni焊料与Cu基板间界面IMC的影响

研究Sn-0.7Cu-0.5Ni-xCe(x=0,0.1)焊料与铜基板间543K钎焊以及453K恒温时效对界面金属间化合物(IMC)的形成与生长行为的影响。结果表明:往Sn-0.7Cu-0.5Ni焊料合金中添加0.10%Ce,能抑制等温时效过程中界面IMC的形成与生长;焊点最初形成的界面IMC为Cu6Sn5,时效10d后,Sn-0.7Cu-0.5Ni和Sn-0.7Cu-0.5Ni-0.10Ce这2种焊料中均有Cu3Sn形成,与Sn-0.7Cu-0.5Ni/Cu焊点相比,Sn-0.7Cu-0.5Ni-0.10Ce/Cu界面IMC层较为平整;该界面IMC的形成与生长均受扩散控制,主要取决于Cu原子的扩散,添加稀土元素Ce能抑制Cu原子的扩散,Sn-0.7Cu-0.5Ni和Sn-0.7Cu-0.5Ni-0.10Ce焊点界面IMC层的生长速率分别为6.15×10-18和5.38×10?18m2/s。

IMC生长对无铅焊球可靠性的影响

通过模拟及实验研究了IMC层及其生长对无铅焊点可靠性的影响。采用回流焊将无铅焊球（Sn3.5Ag0.7Cu）焊接到PCB板的铜焊盘上,通过-55-125℃的热循环实验,获得了IMC厚度经不同热循环次数后的生长规律。采用有限元法模拟了热循环过程中IMC厚度生长对无铅BGA焊点中应力变化的影响,并由能量疲劳模型预测了无铅焊点寿命。计算结果显示,考虑IMC层生长所预测的焊点热疲劳寿命比不考虑IMC层生长时缩短约30%。

高银系Sn-Ag-Cu/Cu界面金属间化合物生长行为

【目的】为研究高银系(Ag质量分数大于3.0%)Sn-Ag-Cu在固相时效过程中的界面反应和生长动力学。【方法】高温条件下不同银含量对界面结构和界面生长的影响,为了确定焊点的长期可靠性,在150℃下进行了0 h,100 h,300 h,500 h的热加速老化试验。用SEM与EDS进行了IMC表面形貌、厚度和元素组成。【结果】研究结果表明,随着银含量的增加,Cu_(6)Sn_(5)的生长受到不同程度抑制。在等温时效过程中,金属间化合物(IMC,Cu_(6)Sn_(5)+Cu_(3)Sn)的生长动力学是一个扩散控制过程,Cu_(6)Sn_(5)逐渐生长为Cu_(3)Sn;在后期的老化阶段,扇贝状的形状消失,表明生长机制发生了变化,变化为向垂直于界面方向的稳定生长;通过有限元技术,得出在服役过程中,热应力主要集中于Cu_(3)Sn与Cu基板交界处;随着时效时间的增加,焊点等效蠕变应变上升,可靠性逐渐降低;利用阿仑尼乌斯公式计算了金属间化合物IMC(Cu_(6)Sn_(5)+Cu_(3)Sn)在界面Sn-3.0Ag-0.7Cu/Cu,Sn-3.4Ag-0.7Cu/Cu,Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu的表观活化能分别为67.13 kJ/mol,70.50 kJ/mol,69.54 kJ/mol。【结论】根据试验与数值模拟计算相结合的研究手段,得到Sn-3.4Ag-0.7Cu款无铅焊料在高温服役过程中比其他焊料更能满足电子元件的要求。

添加0.05%(La+Ce)对SnXCuNi焊料与Cu基板间界面组织的影响

在Sn-4.1X-1.5Cu-Ni焊料合金中添加0.05%(质量分数,下同)(La+Ce),对焊料/Cu焊点等温时效后其界面组织的变化规律以及界面金属间化合物的形成和生长行为进行分析研究,结果表明:随着等温时效时间的延长,Sn-4.1X-1.5Cu-Ni/Cu和Sn-4.1X-1.5Cu-Ni-0.05(La+Ce)/Cu IMC层厚度增加,其界面金属间化合物的增厚主要由扩散机制控制;在SnXCuNi焊料合金中添加0.05%(La+Ce)后,能有效抑制等温时效过程中界面IMC的形成和生长,从而提高了焊点的可靠性,其中Sn-4.1X-1.5Cu-Ni/Cu的生长速率为2.95×10-17m2/s,Sn-4.1X-1.5Cu-Ni-0.05(La+Ce)/Cu的生长速率为2.51×10-17m2/s。

Ni和Bi元素对SnAgCu钎焊界面金属化合物生长速率的影响

通过加速温度时效方法研究Ni和Bi元素对低银(含银量小于1%,质量分数)Sn-Ag-Cu(LASAC)钎料界面IMC生长速率的影响。通过与高银钎料SAC305和低银钎料LASAC对比,分析添加Ni和Bi元素后LASAC钎料在高温时效过程中热疲劳抗性的变化情况。结果表明:LASAC/Cu、LASAC-Bi/Cu和SAC305/Cu界面IMC时效后均形成较厚的Cu3Sn层,LASAC-Ni/Cu界面经IMC时效后则形成较薄的(Cu,Ni)3Sn;高银钎料SAC305在180℃时效下IMC生长速率为2.17×10-5μm2/s,与之相比,低Ag钎料LASAC IMC在时效过程中生长速率较高,为3.8×10-5μm2/s;Ni和Bi元素的添加均可降低钎料LASAC/Cu界面IMC的生长速率,其中Bi的改善效果最显著,LASAC-Bi钎料的IMC生长速率为1.92×10-5μm2/s,低于SAC305钎料的IMC生长速率。

强磁场下Sn-3Ag-0.5Cu/Cu界面金属间化合物生长行为

研究了3 T和8 T强磁场作用下Sn-3A g-0.5Cu/Cu焊接接头界面金属间化合物在170℃时效过程中的生长行为.结果表明:强磁场作用下界面金属间化合物层的厚度随着时效时间的延长而增加,且呈抛物线规律;随着磁场强度的增大,Sn-3A g-0.5Cu/Cu界面金属间化合物的生长速度加快.分析认为强磁场的存在加快了原子的运动,提高了原子的扩散系数,从而加快了界面金属间化合物层的生长速度.

Au-Sn焊点异质界面的耦合反应及其对力学性能的影响

为了探讨Au-Sn异质焊点耦合界面反应对界面IMC层生长行为及焊点力学性能的影响,采用回流焊技术制备Ni/AuSn/Ni和Cu/AuSn/Ni三明治结构焊点,通过扫描电子显微镜(SEM)与能谱分析(EDS)研究焊点在钎焊与老化退火中的组织演变。研究结果表明:在钎焊中Ni-Ni焊点的Au Sn/Ni界面形成(Ni,Au)_3Sn_2金属间化合物(IMC)层,而Cu-Ni焊点的AuSn/Ni界面形成(Ni,Au,Cu)_3Sn_2四元IMC层,表明钎焊过程中上界面的Cu原子穿过Au Sn焊料到达Ni界面参与耦合反应。在老化退火中,界面IMC层的厚度l随退火时间t延长而逐渐增大,其生长规律符合扩散控制机制的关系式:l=k(t/t_0)~n。在160℃和200℃退火时,(Ni,Au)_3Sn_2层的生长以晶界扩散和体积扩散为主。由于Cu原子的耦合作用,(Ni,Au,Cu)_3Sn_2层的生长以反应扩散为主。Cu-Ni异质界面焊点中,Cu的耦合作用抑制了Au Sn/Ni界面(Ni,Au,Cu)_3Sn_2IMC层的生长,减缓了焊点剪切强度的下降速度,有利于提高焊点的可靠性。

老化退火中Cu/AuSn20/Ni焊点的组织演变

研究Cu/AuSn20/Ni焊点在120、160和200℃下老化退火时金属间化合物(IMC)层的组织形貌、生长动力学以及焊点剪切性能。结果表明:在老化退火过程中,焊点Cu/AuSn20上界面形成AuCu和Au(Cu,Sn)复合IMC层,Ni/AuSn20下界面形成(Ni,Au,Cu)3Sn2四元IMC层;IMC层厚度随着退火时间延长而逐渐增大,其生长动力学分析表明AuCu层和Au(Cu,Sn)层的生长机制为体积扩散,而(Ni,Au,Cu)3Sn2层的生长机制为反应扩散;IMC层的长大速率随温度升高而增大;焊点的室温剪切强度随AuCu和Au(Cu,Sn)层厚度增大而大幅降低,剪切断裂发生在Cu/AuSn20界面。

微量Ag、Bi、Ni对无铅微焊点固-液界面扩散的影响

为了获得微量元素Ag、Bi、Ni对无铅微焊点固-液界面扩散行为的影响规律,以低银无铅微焊点Cu/SAC0705+Bi+Ni/Cu为主要研究对象,并与Cu/SAC0705/Cu及高银钎料Cu/SAC305/Cu进行对比。研究了三种成分焊点固-液扩散后界面IMC的生长演变行为,并分析了Ag、Bi、Ni对微焊点固-液扩散的影响。研究结果表明:钎料中微量元素Ag、Bi、Ni添加可细化界面IMC晶粒,对提高界面强度有利。长时间的固-液时效过程中,界面IMC的生长速率主要取决于界面IMC的晶粒尺寸。Cu/SAC0705+Bi+Ni/Cu焊点界面IMC晶粒尺寸最小,界面IMC生长速率最大,为11.74μm/h。Cu/SAC0705/Cu焊点界面IMC晶粒尺寸最大,界面IMC生长速率最慢,其数值为1.24μm/h。

锆/镍超声波焊接界面IMCs生长行为及其性能分析

锆/镍异种金属焊接结构在现代工业应用中日益广泛,但因母材热物理和化学性能存在较大差异,导致焊接难度大。超声波焊接作为一种固态连接工艺适应于异种金属焊接。研究不同焊接能量对锆/镍异质金属超声波焊接金属间化合物(IMCs)生长行为与机械性能的影响机制。以锆箔、镍箔为原材料,采用焊接功率1600 W,通过改变焊接时间300,～400,～500,～600 ms调控焊接能量设计异质金属超声波焊接试验。使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、 X射线衍射(XRD)、 3D景深显微分析、显微硬度仪及拉剪强度测试等研究微观组织形貌、相结构、景深及显微硬度的变化规律,确定焊接能量与接头拉剪强度之间的定量关系,理解其连接机理和IMCs生长历程。结果表明:接头触点区无明显宏观裂纹等缺陷;随焊接能量增大,触点区原子互扩散层迅速增厚并趋于稳态,过厚的IMCs层诱导产生新的焊接缺陷;在焊接能量640 J时高应变率加速连接界面析出厚度约3.2μm的Ni_7Zr_2, Ni_(10)Zr_7和NiZr_2 IMCs相层,析出顺序为:Ni_(10)Zr_7, Ni_7Zr_2, NiZr_2;塑性变形在整个薄板厚度间传播,剧烈塑性变形促进了位错增殖,形成了由纳米晶和非晶相组成的过渡层;工件连接强度取决于机械互锁、纳米晶和非晶相过渡层与互扩散的综合作用。所获得的最优焊接工艺参数对提升接头力学性能和分析其界面组织变化具有重要意义。

85℃时效Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点界面化合物生长行为

以Sn-9Zn/Cu焊点为参比物,研究了Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点在85℃时效条件下界面金属间化合物(IMC)的生长行为。结果表明,相同钎焊工艺条件下,与Sn-9Zn/Cu相比,Sn-8Zn-3Bi/Cu界面反应更为充分。在85℃时效过程中,Sn-9Zn/Cu界面IMC结构稳定,Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点界面IMC生长速率变化不大,界面IMC层增厚速率在界面反应初期较快而在后期则显著下降。Bi的添加对合金熔点的降低促进了界面初期反应过程的充分进行。随着界面反应时间的延长,Bi对Cu-Zn(IMC)层的生长表现出明显的抑制作用,界面IMC生长动力学时间指数显著减小。

倒装芯片组装中微米级互连焊点的界面金属间化合物生长及动力学

利用焊点间距为100μm,高度约为45μm,成分为Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt%)(SAC305)的倒装硅芯片与BT树脂基板组装互连,分别在150、125和100℃条件下时效至650 h。研究时效过程中界面主要金属间化合物的生长,结合经验功率定律及阿伦斯公式计算基板侧Cu焊盘界面IMC生长的动力学参数,对IMC的生长动力学探讨。结果表明,在互连回流后,双侧焊盘界面主要IMC为(Cu,Ni)6Sn5。在时效前100 h,(Cu,Ni)6Sn5生长速率较快;而在随后的时效过程中,随时效时间的增加生长速率逐渐降低。界面主要金属间化合物(Cu,Ni)6Sn5生长动力学研究结果可知:150、125以及100℃条件下时间参数分别为2.61、2.35和2.18,界面(Cu,Ni)6Sn5的生长激活能为67.89 kJ/mol。

Zn含量对Cu/Sn/Cu-xZn微焊点界面反应的影响

本文以Cu/Sn/Cu-xZn(x=0,5,20 wt.%)微焊点为研究对象,探究Zn含量对其在等温和温度梯度下回流时液-固界面反应的影响。等温回流时,微焊点两端界面金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)呈对称性生长,且随着Zn含量增加,两端界面IMC厚度略有减小,表明在Cu基体中添加Zn对等温回流时界面IMC生长的抑制作用不明显。温度梯度下回流时,冷、热两端界面IMC呈非对称性生长,且随着Zn含量增加,冷端界面IMC厚度明显减小,表明添加Zn对冷端界面IMC生长有显著抑制作用。这是因为,添加Zn降低了由热迁移引起的用于冷端界面反应的原子通量。此外发现,由于界面处生成Cu(Sn,Zn)层,更加有效地阻挡了热端基体溶解,使得Cu/Sn/Cu-20Zn微焊点中冷端界面IMC生长速率急剧减小。基于界面IMC随回流时间的生长规律,分别获得了等温回流和温度梯度下回流时Cu/Sn/Cu-xZn微焊点两侧IMC的生长动力学。

冷轧复合铝-铝-钢界面金属间化合物的生长行为

对冷轧复合4343铝/4A60铝/08Al钢三层复合带材进行不同温度和时间的退火,借助金相显微镜、扫描电镜和EDAX能谱仪以及X射线衍射仪对复合界面结合区进行组织观察、元素成分线扫描分析和EDS能谱分析及XRD物相分析,研究复合界面金属间化合物的生长行为。结果表明:当退火温度较高时,4343中含量较高的Si向4A60中进行了较大程度的扩散;铝-钢复合界面在600℃保持1 h退火时有金属间化合物产生;随着退火温度的升高和退火时间的延长,复合界面金属间化合物由一层增加至三层,化合物主要由Fe4Al13和Fe2Al5组成;铝-钢复合界面金属间化合物的生长由扩散控制,其增厚符合抛物线规律,界面金属间化合物的生长激活能为14.4 k J/mol。