P元素对Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料抗氧化性、润湿性以及显微组织的影响

为改善Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料抗氧化性和润湿性差的问题,在钎料中添加了P元素,研究了微量P元素对Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料抗氧化性、润湿性以及显微组织的影响。制备了含不同质量分数P元素的Sn-0.3Ag-0.7Cu-xP(x=0%,0.005%,0.010%,0.015%,0.020%)钎料。以实验的方式测试了钎料的抗氧化性以及润湿性,并使用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察了显微组织。结果表明:随着P含量的增加,钎料的抗氧化性和润湿性显著提高。当P含量达到0.020%时,与不添加P元素的钎料相比,在250℃保温30 min后的氧化渣质量由2.25 g减少到0.79 g。此时,钎料的铺展面积和润湿力也达到最大,分别为65.74 mm^(2)和5.04 mN,润湿时间为0.96 s。添加微量P元素未改变钎料的相组成,其显微组织主要由β-Sn、Ag_(3)Sn与Cu_(6)Sn_(5)三种相构成。随着P含量的增加,Ag_(3)Sn的形态由粒状向片状转变。

稀土Pr对Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料显微组织和润湿性能的影响

采用XJP-300型光学显微镜以及日立扫描电子显微镜S-3400N对Sn-0.3Ag-0.7Cu-x Pr无铅钎料的显微组织进行观察和分析,采用润湿平衡法,研究了钎料在Cu基板上的润湿性能。研究结果表明,微量稀土Pr可以改善Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料的显微组织和润湿性能。当Pr的添加量约为0.05%时,Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料的显微组织得到最大程度的细化以及均匀化,同时钎料具有最大润湿力。在260℃的钎焊温度下,SnAgCu-0.1Pr的润湿力与SnAgCu钎料相比,提高了5.0%,润湿时间降低了16.9%。当Pr含量继续增加时,钎料中出现大块的稀土相。同时钎料的润湿时间增长,润湿性能变差。

Bi对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的影响

无铅钎料和基板间金属间化合物(IMC)的生长对元器件的可靠性有重要影响。使用Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi无铅钎料与Ni盘进行焊接,并对焊点进行了180℃时效试验,时效时间分别为0、24、96、216和384h。采用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪观察分析了钎料与Ni界面IMC的生长及形貌变化,并对其焊点IMC层Ni的分布进行了分析,同时对其界面生长速率进行了拟合。结果表明:Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料与Ni焊盘之间的IMC是棒状的(CuxNi1-x)6Sn5,Bi的加入并没有起到很好的抑制作用,而是随着Bi含量的增加IMC先增加后减少。Sn-0.3Ag-0.7Cu/Ni焊点IMC中Ni的平均含量(wNi)分为15%、5%两区域,由近Ni向钎料基体方向呈下降趋势。但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-3.0Bi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量在7%左右。时效后IMC层的厚度会随着老化时间的延长而增加,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点由于Bi的析出IMC增长得缓慢;Sn-0.3Ag-0.7Cu/Ni焊点(CuxNi1-x)6Sn5中15%Ni的含量区域逐渐过渡到5%区域,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量维持9%较时效前有所增加。通过生长速率计算,Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的生长速率随着Bi含量的增加而减少。

工艺参数对Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊点界面组织和力学性能的影响

互连焊点界面反应形成的金属间化合物(IMC)对焊点服役可靠性会产生显著影响。研究了不同工艺参数(回流温度、回流时间和回流次数)条件下,Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊点界面金属间化合物的演变及对焊点力学性能的影响,同时对焊点断裂机制进行了分析。结果表明,随着回流温度和回流时间的增加,金属间化合物η-Cu6Sn5相的形貌由贝状向板条状转变,并可观察到η相溶入焊点内部。在265℃回流时,随着回流时间增加,贝状η相不断长大,晶粒数不断减少;界面IMC的生长符合幂指数生长规律,其生长指数为0.339。回流次数对焊点剪切强度的影响为先增后减,断裂模式从纯剪切断裂到微孔聚集型断裂再到局部脆断转变。

电子封装用低银Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料研究进展

随着电子封装无铅化、高集成度需求的不断提升,开发低成本、高性能的无铅封装材料对传统含铅材料进行有效替代已成为全球关注的热点。目前所开发的Sn-Ag-Cu系无铅钎料中含银量最低的Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC0307)钎料具有较好的延展性、抗冲击跌落性能且成本低等优点,但也存在熔点高,力学性能和抗热疲劳性能低等问题导致其可靠性降低。为进一步促进电子封装用低银SAC0307钎料的发展,改善其力学性能和可靠性,新型低银SAC0307复合钎料的研究成为重要研究方向之一。简述近十年来国内外低银SAC0307复合钎料的研究现状,着重从添加合金元素、金属纳米颗粒、金属氧化物颗粒、碳纳米颗粒及其他非金属材料方面回顾总结了低银SAC0307钎料改性工作方面的研究成果,以期为后续研发高性能的新型低银SAC0307复合钎料提供一定的帮助。

Sn-2.5Ag-0.7Cu(0.1RE)/Cu焊点界面区微观组织与Cu_6Sn_5的生长动力学

利用X射线衍射分析仪、JSM-5610LV扫描电镜及能谱分析研究钎焊和时效过程中低银Sn-2.5Ag-0.7Cu(0.1RE)/Cu焊点界面区显微组织和Cu6Sn5金属间化合物的生长行为。结果表明:钎焊过程中焊点界面区Cu6Sn5金属间化合物的厚度是溶解和生长两方面共同作用的结果;随着时效时间的延长,焊点界面区Cu6Sn5的形貌由扇贝状转变为层状,其长大动力学符合抛物线规律,由扩散机制控制;添加0.1%稀土元素能有效减慢界面Cu6Sn5金属间化合物在钎焊及时效过程中的长大速度,可改变焊点裂纹的起源位置,提高其可靠性。

微连接用Sn-2.5Ag-0.7Cu(0.1RE)钎料焊点界面Cu_6Sn_5的长大行为

利用XRD、SEM及EDAX研究了钎焊和时效过程中低银Sn-2.5Ag-0.7Cu(0.1RE)/Cu焊点界面区显微组织和Cu6Sn5金属间化合物的生长行为。结果表明,钎焊过程中焊点界面区Cu6Sn5金属间化合物的厚度是溶解和生长两方面共同作用的结果;随时效时间的增加,焊点界面区Cu6Sn5的形貌由扇贝状转变为层状,其长大动力学符合抛物线规律,由扩散机制控制;添加0.1%(质量分数,下同)的RE能有效减慢界面Cu6Sn5金属间化合物在钎焊及时效过程中的长大速度,改变焊点的断裂机制,提高其可靠性。

Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1RE-xNi的润湿特性

采用润湿平衡法,选用商用水洗钎剂研究了Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1RE-x Ni钎料合金在Cu引线和Cu基板上的润湿特性。结果表明,当Ni添加量为0.05%-0.1%时,Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1RE钎料合金中在Cu引线上具有较短的润湿时间,较小的润湿角,较大的润湿力;在Cu基板上具有较小的润湿角和较大的铺展面积;焊点界面区Cu6Sn5厚度小而平整;其润湿特性满足现代表面组装技术对无铅钎料润湿性能的要求。

Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1RE/Cu钎焊界面区IMC及接头性能

采用扫描电镜和X射线衍射等检测手段,研究了钎焊工艺参数对Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1RE/Cu界面金属间化合物(IMC)长大及钎焊接头剪切强度的影响。结果表明,Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1RE/Cu钎焊界面区形成了波浪状Cu6Sn5金属间化合物(IMC)。随钎焊时间延长、钎焊温度升高,界面波浪状Cu6Sn5相转变为较大尺寸的扇贝状,其厚度及界面粗糙度相应增大。当钎焊温度为270℃、钎焊时间为180s时,Cu6Sn5相厚度较薄,为2.2μm;界面光滑,其粗糙度为1.26μm,接头剪切强度值最高。

Sn-3.5Ag-2Bi-0.7Cu无铅焊料压入蠕变性能的研究

对Sn-3．5Ag-2Bi-0．7Cu无铅焊料在温度为50～100℃，应力为16．7-43．2MPa条件下的压入蠕变性能进行研究。得到压入蠕变的应力指数n=3．181、蠕变激活能Q=59．189kJ／mol、材料的结构常数A=0．423。获得Sn-3．5Ag-2Bi-0．7Cu无铅焊料稳态压入蠕变速率本构方程：ε=0．423σ^3.181exp（-59189／RT）。随着温度和应力的增加，Sn-3．5Ag．2Bi-0．7Cu无铅焊料的压入蠕变速率明显增加，蠕变后Ag3Sn、Cu6Sn5相明显变粗变短。Ag3Sn和Cu6Sn5可强化基体，提高β-Sn基体的抗压入蠕变性能。

Sn-2．5Ag-0．7Cu-0．1RE／Cu时效点界面IMC的生长行为

采用扫描电镜及X射线衍射等检测手段,研究了Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1RE/Cu在时效过程中界面区金属间化合物(IMC)的形成和生长特点。试验结果表明,钎焊接头在85、125、150℃时效时,在靠近Cu侧形成层状Cu3SnIMC。随时效时间延长,钎焊后形成的波浪状Cu6Sn5IMC转变为较大尺寸的扇贝状,然后再转变为层状。时效过程中钎焊界面Cu6Sn5IMC和Cu3SnIMC的生长厚度均与时效时间的平方根呈线性关系,其生长受扩散机制控制,激活能分别为81.7和92.3kJ/mol。

回流焊对SnAgCu焊点IMC及剪切强度的影响

研究了回流焊次数对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xNi/Cu(x=0,0.05)焊点的界面反应及其剪切强度的影响。结果表明:随着回流焊次数的增加,界面金属间化合物(IMC)Cu6Sn5和(Cu1-xNix)6Sn5的厚度均增加。在钎料中添加w(Ni)为0.05%,可有效抑制IMC的生长,与回流焊次数无关。回流焊次数对Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu和Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.05Ni/Cu的剪切强度影响都不大,五次回流焊后剪切强度略有下降,剪切强度分别为21MPa和25MPa。发现断裂面部分在钎料中,部分在钎料和IMC之间。

回流焊对SnAgCuBi/Cu焊点IMC及剪切强度的影响

利用金相显微镜和扫描电镜对多次回流焊后的Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Cu焊点IMC和剪切断口形貌进行了观察和分析。结果表明:Bi的加入提高了接头剪切强度,且随着Bi含量的增加而增加,当w(Bi)为4.5%时达最大值45.07MPa,同时Bi的加入有效抑制了焊点IMC的增长。经过5次回流焊后,未加入Bi的焊点剪切强度由24.55MPa下降到20.82MPa,而加入w(Bi)为3.0%的焊点剪切强度由35.95MPa下降到32.46MPa。

SnAgCu体钎料及BGA焊球焊点纳米级力学性能

为了研究低银Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅体钎料、BGA焊料小球和BGA焊点的力学行为,基于物理反分析的方法采用纳米压痕仪对其进行实验。从压痕载荷–深度曲线提取出弹性模量、硬度和蠕变速率敏感指数。结果表明:体钎料的杨氏模量和蠕变速率敏感指数大约是BGA焊料小球和BGA焊点的2.5倍,验证了尺寸效应理论。采用纳米压痕仪测出的体钎料维氏硬度(15.101HV)小于显微硬度计的测量结果(20.660HV)。