Sn-3Ag-0.5Cu合金与金属Cu的润湿性研究

研究了加热温度、保温时间对Sn-3Ag-0.5Cu合金钎料在金属Cu基板上的润湿性和界面反应的影响。结果表明:保温时间为60 min,随加热温度在275~350℃增大,Sn-3Ag-0.5Cu钎料的平衡润湿角从56.0°降至28.1°;该润湿属于反应润湿,在界面形成Cu_(3)Sn相和Cu_(6)Sn_(5)相。随着加热温度的增加、保温时间的延长,Cu元素逐渐向Sn-3Ag-0.5Cu合金中扩散,两相厚度逐渐增加且更加均匀。

63Sn-37Pb和Sn-3Ag-0.5Cu合金钎料的扭转低周疲劳性能

用扭转疲劳试验机对63Sn-37Pb和Sn-3Ag-0.5Cu两种合金钎料在扭转载荷下的低周疲劳性能进行了研究。结果表明:两种钎料均为循环软化材料,它们的变形主要由塑性变形决定;两种钎料的疲劳寿命均随着剪应变幅的减小而显著增大;在相同的剪应变幅下,Sn-3Ag-0.5Cu合金钎料的疲劳寿命比63Sn-37Pb钎料的长,即Sn-3Ag-0.5Cu合金钎料的抗剪切疲劳能力更强。

工业纯Sn和Sn-3Ag-0.5Cu合金在沈阳大气环境下自然暴露的初期腐蚀行为

通过沈阳大气环境下的自然暴露实验研究工业纯Sn和Sn-3Ag-0.5Cu合金的早期大气腐蚀行为。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)分析了表面腐蚀产物的形貌与成分。结果表明:工业纯Sn与Sn-3Ag-0.5Cu合金在沈阳工业大气环境下自然暴露后都很快发生了表面腐蚀并失泽,早期腐蚀产物疏松、龟裂并易于剥落。XPS深度分析表明:自然条件下暴露18 d后,表面腐蚀产物层厚度约为400 nm。工业大气中的悬浮物颗粒对腐蚀的形核和扩展起重要作用,Sn-3Ag-0.5Cu合金中的第二相Ag3Sn和Cu6Sn5作为阴极存在,但对大气腐蚀的加速影响不大。

稀土Er对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料合金组织与性能的影响

研究稀土Er含量对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料合金显微组织以及性能的影响。结果表明:当Er含量为0.05%～0.50%(质量分数)时,对该无铅焊料合金的导电性和腐蚀性影响不大,但使熔化区间温度降低;当Er含量为0.05%时,焊点剪切强度最高;当Er含量为0.10%时,焊料铺展面积最大,焊料润湿性有所改善,同时焊料的拉伸强度达到最高;当Er含量为0.25%时,伸长率最大。随着Er含量的增加,该焊料合金的组织由树枝晶向等轴晶转变,且组织逐渐细化。Er的较佳添加量为0.05%～0.25%。

Fe粉对Sn-3Ag-0.5Cu复合钎料组织及性能的影响

通过在钎料中添加Fe粉颗粒,研究其对Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料的黏度、熔点、钎焊接头界面微观组织、与Cu基板之间的润湿性及焊点力学性能的影响。结果表明:微米级Fe粉的添加增加了复合钎料焊膏单位体积内焊粉的接触面积,使得焊膏内摩擦力增大,导致复合钎料焊膏的黏度增加;微米级Fe粉的添加对Sn-3Ag-0.5Cu钎料的熔化特性没有显著影响;钎焊时,由于重力偏聚及界面吸附作用,Fe粉颗粒集中沉积于Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu钎焊接头界面处靠近钎料一侧,由于增大液态钎料黏度而导致钎料与Cu板间的润湿性降低;与Sn-3Ag-0.5Cu/Cu相比,Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu界面处钎料一侧粗大的β-Sn枝晶区消失,取而代之的是细小的等轴晶。Sn-3Ag-0.5Cu-1%Fe/Cu的剪切强度为46 MPa,比Sn-3Ag-0.5Cu/Cu剪切强度提高39%;靠近界面金属间化合物处钎料基体的显微硬度提高约25%。

Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面的显微结构

研究了热剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu钎料/Cu界面的显微结构,分析了界面金属间化合物的生长行为,并与恒温时效后的Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面进行了对比。结果表明:恒温时效至100 h,Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面上已形成Cu6Sn5和Cu3Sn两层金属间化合物;而热剪切循环至720周Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面上只存在Cu6Sn5金属间化合物层,无Cu3Sn层生成,在界面近域的钎料内,颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状;在热剪切循环和恒温时效过程中,界面金属间化合物的形态初始都为扇贝状,随着时效时间的延长逐渐趋于平缓,最终以层状形式生长。

界面金属间化合物对铜基Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点拉伸断裂性能的影响

研究了Cu／Sn-3．0Ag-0．5Cu／Cu焊点在（150±1）℃时效温度下，0～1000h不同时间时效后焊点的拉伸断裂性能以及界面金属间化合物（IMC）的组织形态和成分。结果表明：随着时效时间的延长，焊点拉伸强度降低，拉伸断裂主要发生于Solder／IMC界面或／和IMC／IMC界面，而且断口形貌逐渐由韧窝状断口为主向解理型脆性断口转变。SEM研究发现，时效过程中界面IMC不断长大、增厚并呈针状或块状从Cu／Solder界面向焊点心部生长，时效1000h的焊点中IMC分层明显。半焊点结构为Cu／Cu3Sn／Cu6Sn5/Solder，同时，在靠近铜基体的IMC中有Kirkendall空洞存在。

热-剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu(Ni)界面化合物生长行为研究

对热-剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu钎料在Cu和Ni界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究。结果表明:再流焊后,在Sn-3.5Ag-0.5Cu/Ni界面上形成(CuxNi1-x)6Sn5化合物;热-剪切循环200周次后,(NixCu1-x)Sn3化合物在(CuxNi1-x)6Sn5化合物周围以片状快速长大;而Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面从钎焊到热-剪切循环720周次始终只存在Cu6Sn5金属化合物层。随着热-剪切循环周数的增加,(CuxNi1-x)6Sn5和Cu6Sn5化合物形态均从笋状向平面状生长。界面金属间化合物的厚度随循环周数的增加而增加,且生长基本遵循抛物线规律,说明Cu原子的扩散控制了(CuxNi1-x)6Sn5和Cu6Sn5化合物的生长。

电-力耦合作用下Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点的拉伸力学性能和断裂行为

对比研究三明治结构线形Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在拉伸、电-拉伸和电迁移后电-拉伸三种加载模式下的力学行为和断裂特性,并基于电流引发的焦耳热效应和电迁移效应,从电流对原子和空位扩散、空位浓度及位错滑移与攀移的影响等方面,探讨电-力耦合载荷对焊点拉伸断裂行为的影响。结果表明,焊点在电-拉伸时应力-应变曲线呈现快速变形、线性变形和加速断裂三阶段,其中快速变形阶段是以焦耳热引起的热弹性变形为主,而拉伸和电迁移后电-拉伸时应力-应变曲线只存在线性变形和加速断裂阶段;电迁移后电-拉伸时焊点断裂强度和断裂应变最小而等效模量最大,拉伸加载时焊点断裂强度和断裂应变最大而等效模量最小;电-拉伸时β-Sn相趋于沿电、力加载方向排列;三种加载模式下焊点断裂均发生在钎料体内,呈韧性断裂。

Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni/Cu微焊点剪切强度与断口的研究

用直径为200-500μm的Sn-3．0Ag-0．5Cu无铅焊球分别在Ni和Cu焊盘上制作焊点，并对焊后和时效200h后的焊点进行剪切测试，并采用SEM观察剪切断口形貌。结果表明，焊后和时效200h后焊点接头的剪切强度都随焊球尺寸增大而减小。焊后断口处韧窝形状为抛物线型，断裂方式为韧性断裂；随着焊球尺寸的增大，剪切断口处的韧窝数量增多，韧窝的变小变浅。时效200h后，韧窝变浅，趋于平坦，韧窝数量也明显减少，材料的韧性下降，脆性增加，断裂方式由韧性向脆性发生转变。

晶圆级芯片尺寸封装Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点跌落失效模式（英文）

依据JEDEC标准采用板级跌落实验研究晶圆级芯片尺寸封装Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点的跌落失效模式。发现存在六种失效模式,即发生在印刷电路板(PCB)侧的短FR-4裂纹和完全FR-4裂纹,以及发生在芯片侧的再布线层(RDL)与Cu凸点化层开裂、RDL断裂、体钎料裂纹及体钎料与界面金属间化合物(IMC)混合裂纹。对于最外侧的焊点,由于PCB变形量较大且FR-4介质层强度较低,易于形成完全FR-4裂纹,其可吸收较大的跌落冲击能量,从而避免了其它失效模式的发生。对于内侧的焊点,先形成的短FR-4裂纹对跌落冲击能量的吸收有限,导致在芯片侧发生失效。

Bi对Sn-3Ag-0.5Cu/Cu无铅钎焊接头剪切强度的影响

研究了Sn-3Ag-0.5Cu-xBi(x=0,1,3)/Cu钎焊接头在140和195℃时效过程中的剪切强度变化.结果表明:随着时效时间的增加,界面金属间化合物(IMC)层的厚度逐渐增加;140℃时效时,Sn-3Ag-0.5Cu接头的剪切强度随时效时间延长变化不大,Bi元素的添加提高了钎焊接头的剪切强度;195℃时效时,钎焊接头剪切强度均随时效时间延长而下降,Bi元素的添加对接头剪切强度的影响不明显.剪切断口分析表明:随着界面化合物层厚度的增加,断裂机制逐渐由韧性断裂变为脆性断裂,较高剪切强度对应于钎料基体的韧性断裂,而低剪切强度对应于钎料与界面化合物层之间的脆性断裂.

Bi对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料微观组织和性能的影响

在Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料的基础上,掺加不同比例的Bi元素,形成Sn-Ag-Cu-Bi系合金,研究不同掺量的Bi对Sn-3.0Ag-0.5Cu的熔化温度、润湿性及焊接接头的微观组织的影响。结果表明,添加Bi能够明显降低焊料的熔点,但当Bi含量超过5%时,熔程增大;添加3%以内的Bi能明显提高其润湿性。

Bi掺杂对Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料电化学腐蚀性能及枝晶生长的影响

采用动电位扫描和交流阻抗等方法研究Bi掺杂对Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料在3.5%NaCl(质量分数)溶液中电化学腐蚀性能及枝晶生长的影响;采用SEM和XRD技术分析其腐蚀形貌及成分。结果显示:随着Bi含量增加,腐蚀电流密度增大,但自腐蚀电位不呈规律性变化。阻抗谱显示:掺杂前后阻抗谱特征相同,均可用两个时间常数的等效电路模型表示,其拟合误差<5%。随着Bi含量的增加,容抗弧半径减小,电荷传递电阻和腐蚀产物膜电阻均减小,耐蚀性能降低。SEM像显示,Bi掺杂对钎料在介质中电化学迁移速度有减缓作用,因而对迁移所致的枝晶生长具有抑制作用。XRD谱显示,枝晶主要成分为Sn和Cu6Sn5,同时伴有少量的Bi和Ag3Sn。

Cu-0.2Zr合金和Cu-3Ag-0.5Zr合金的高温蠕变行为

研究了Cu-0.2Zr(质量分数/%,下同)合金和Cu-3Ag-0.5Zr合金在700,800,900K下的拉伸蠕变行为,并分析了两种合金的蠕变机理。结果表明:铜-锆合金的抗蠕变性能优于铜-银-锆合金的;在700K的蠕变区,位错粘滞滑移是两种合金蠕变过程的控制机制,在800K的蠕变区,两种合金的蠕变过程主要由晶界扩散机制所控制;高温蠕变断裂时两种合金均表现为韧性沿晶断裂,并存在二次裂纹,铜-锆合金断口的孔洞较多,两种合金的蠕变断裂数据符合Monkman-Grant关系。

Y_2O_3增强Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料

研究了稀土氧化物颗粒增强复合无铅钎料Sn-3Ag-0.5Cu-Y2O3的钎焊接头的显微组织形貌、性能特点及有关影响机制。结果表明:Y2O3增强颗粒均匀分布于Sn-3Ag-0.5Cu钎料基体中,不仅细化了钎焊接头中共晶相Ag3Sn和Cu6Sn5相颗粒尺寸,而且也显著提高了钎焊接头的剪切强度。另外适量Y2O3颗粒的添加对钎料润湿性影响不大。

Cu-3Ag-0.5Zr合金的高温低周疲劳性能研究

研究了Cu-3%Ag-0.5%Zr合金在800K条件下的高温低周疲劳性能。对循环应力响应行为及循环应力-应变行为进行了分析,给出了Cu Ag Zr合金的疲劳参数,并根据试验数据拟合出了疲劳寿命曲线和方程。结果表明,Cu Ag Zr合金的位错密度较低,循环应力响应行为表现出循环软化特征,合金低周疲劳曲线方程为Δεt/2=0.003(2Nf)-0.1104+0.14(2Nf)-0.7792,合金具有较低的弹性应变幅和较低的过渡疲劳寿命,塑性对疲劳寿命起决定性作用。疲劳裂纹起源于试样表面,且存在有多个裂纹源,有大量微小孔洞存在,孔洞连接萌生裂纹,合金高温断裂方式为穿晶韧性断裂。

Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG焊点界面反应及剪切性能的尺寸效应

将直径分别为200,300,400μm的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球在化学镍/钯/金(ENEPIG)焊盘上进行多次(1,3,5,7次)钎焊回流形成Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG焊点,并对回流3次的焊点进行不同温度(75,100,125℃)的时效处理,研究了焊球尺寸对钎焊回流及时效处理后焊点界面组织及剪切强度的影响。结果表明:钎焊回流和时效处理后,焊点界面金属间化合物层的厚度及焊点的剪切强度均随焊球直径的增大而降低,二者表现出明显的尺寸效应;在焊球尺寸相同的条件下,回流次数的增加和时效温度的升高均会导致界面金属间化合物层厚度的增加,以及焊点剪切强度的降低。

添加0.1%Ce对Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料与铜基板间的金属间化合物的影响

研究了Sn-3.0Ag-0.5Cu-xCe(x=0,0.1%)焊料合金与Cu基板250℃钎焊及170℃恒温时效时对基体和界面金属间化合物(IMC)的形成与长大行为的影响。结果发现,在Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料中添加0.1%Ce后,能够抑制基体和钎焊界面反应及随后时效过程中IMC的形成与生长。焊点最初的界面IMC为Cu6Sn5,时效5 d之后,该两钎焊体系中均发现了Cu3Sn薄层的生成,且随着时效时间的增加,各IMC层厚度有明显的增加趋势。与Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点相比,Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1Ce/Cu钎焊体系焊点界面处的IMC层更为平整和细薄。时效过程中,界面IMC的形成与长大受扩散机制控制。

换热器用Cu-3Ag-0.5Zr合金板的研制

采用真空感应熔炼+热处理+冷轧的工艺,制备了Cu-3Ag-0.5Zr合金板材。分析了该合金的成分、物相、熔化温度范围和微观组织,并研究了温度对其力学性能和导热性的影响。结果表明,Cu-3Ag-0.5Zr合金板材的成分合格、组织均匀,以置换型固溶体相为主,有少量CuZr相,熔化温度在1042.23℃~1078.86℃之间;随着温度的升高,Cu-3Ag-0.5Zr合金板材的屈服强度和抗拉强度逐渐降低,导热性有小幅度增强。