Ag_3Sn粗化模型及其对Sn-Ag-Cu焊料蠕变的影响

本文用位错蠕变模型,描述了在电流作用下,无铅焊料Sn-Ag-Cu(SAC)中第二相粒子-Ag_3Sn的粗化过程及其对蠕变速率的影响.模型中焊料组织被简化为:β-Sn母相基体和在基体上弥散分布的Ag_3Sn第二相粒子.基于Lifshitz-Wagner理论,得到了描述第二相粒子尺寸演化的关系式,式中包括稳态应变和电流作用引起的两部分组化.

浅谈低Ag系Sn-Ag-Cu焊料的发展

电子产品中Pb污染问题使得研究人员开始寻找Sn-Pb焊料的替代品,探索一种新型的零污染、低成本的电子封装合金。Sn-Ag-Cu合金被认为是最有发展前景的无铅焊料。但Ag属于贵金属,成本较高,故发展低Ag系无铅钎料成为了研究热点。本文介绍了低Ag系Sn-Ag-Cu焊料的发展现状,通过掺杂微量元素来改善合金的力学性能、显微组织、润湿性、可靠性、抗跌落性等。

Sn-Ag-Cu焊料中金属间化合物对焊接性能的影响

讨论了Sn-Ag-Cu焊料与Cu焊盘间在回流焊过程中形成的金属间化合物(IMC)的种类、形态,Ag含量和Cu含量对IMC的影响,IMC在老化过程中的生长演变及其对焊接性能的影响。结果表明:Sn-Ag-Cu焊料与Cu焊盘之间的金属间化合物主要是Cu6Sn5和长针状的Ag3Sn,Ag和Cu的添加对组织有明显细化作用,但过量添加会影响IMC的性能。IMC的演变主要是与老化温度、老化时间有关,较厚的IMC不利于焊接性能的提高。

老化对sn-Ag-Cu焊料／Ni-P镀层界面结构和剪切强度的影响

对Sn-3．5Ag-0．7Cu／Ni-P界面上的焊点进行了150℃固相老化和250℃液相回流老化实验,两种条件下焊料体内和界面处金属间化合物的成分、长大速率及形貌均有较大差异,在液相回流条件下金属间化合物长大更快,对焊点的可靠性有较大的影响,延长固相老化时间,焊点内生成大尺寸的Ag_3Sn相；高温液相回流有Ni_sP层生成,降低焊点的焊接强度。

掺杂Sb对Sn-Ag-Cu焊料性能的影响

在Sn-3.0Ag-0.5Cu系焊料中分别掺杂不同比例的Sb(锑),制备了无铅焊料合金.用DSC差示扫描量热仪测试熔点,用扫描电子显微镜对其显微组织进行分析,并对其导电性,润湿性等进行测试.实验结果表明,一定比例掺杂的Sn-Ag-Cu-Sb焊料,比未掺杂时,熔点下降不明显,但其显微组织结构更细化,导电性、润湿性有明显提高.

Sn-Ag-Cu焊料应用技术

概述了NEC的Sn-Ag-Cu焊料的应用技术现状和引起剥离的解决方法。

电子封装高温焊料研究新进展

随着先进封装和第三代半导体的快速发展,具有高熔化温度、耐持久温度考验的高温焊料逐渐成为学界追逐的热点,也成为推动电子产业无铅化和升级换代等“卡脖子”问题的瓶颈。本文综述了传统高温Sn-80Au和Pb-Sn焊料、IMC焊料、纳米及纳米-微米混合焊料,提出未来高温焊料在成分上必将以金、银、铜、铝等金属或石墨烯、碳纳米管等轻质、高导热、高熔化温度的碳基材料及其复合材料为主流;在微观尺度上,纳-微米混合焊料既具有纳米焊料的温度效应,又具有颗粒选择的灵活性,能在一定程度上解决纳米焊料的氧化、团聚及烧结时的相转变等问题;基于颗粒焊料的多尺度、颗粒种类选择的多维度,具有低温快速制备、高温长期服役的IMC高温焊料也具有极大的前途。加速高温焊料研发,突破低温封装、高温服役的技术瓶颈,必将极大推动先进封装和功率封装的快速发展。

Sn95Sb5焊料与ENIG/ENEPIG镀层焊点界面可靠性研究

研究了Sn95Sb5焊料在化学镍金(ENIG)镀层、化学镍钯浸金(ENEPIG)镀层表面形成的焊点界面微观组织形貌与剪切强度。使用Sn95Sb5焊料在FR4印制板上焊接0805片式电容,焊点在高温时效测试和温度循环过程中均表现出较高的剪切强度,焊点界面连续且完整,剪切强度下降的最大幅度不超过19.2%。Sn95Sb5焊料在ENIG镀层表面形成的焊点(Sn95Sb5/ENIG焊点)强度更高。Sn95Sb5焊料在ENEPIG镀层表面形成的焊点(Sn95Sb5/ENEPIG焊点)界面反应更为复杂,在焊点界面附近可观察到条块状的(Pd,Ni,Au) Sn4。Sn95Sb5/ENEPIG焊点界面的金属间化合物层平均厚度约为Sn95Sb5/ENIG焊点界面的2倍。

聚氯乙烯火灾烟气环境中无铅焊料腐蚀动力学预测模型

采用质量损失法研究聚氯乙烯火灾烟气环境中283.15~323.15 K温度范围内无铅Sn-3.0Ag焊料的腐蚀动力学、表面微观结构和腐蚀机理。结果表明,随着温度从283.15 K升高到323.15 K,Sn-3.0Ag焊料的质量损失从(22.09±2.01)g/m^(2)增加到(44.66±1.20)g/m^(2)。此外,腐蚀动力学符合阿伦尼乌斯定律。Sn-3.0Ag焊料表面腐蚀产物呈叠加生长趋势。在283.15 K,Sn-3.0Ag焊料的表面出现大量的腐蚀产物。Sn-3.0Ag无铅焊料的腐蚀过程为电化学腐蚀,阴极发生析氢和吸氧反应,阳极发生富锡相的溶解。腐蚀产物为Sn_(21)Cl_(16)(OH)_(14)O_(6)、SnO_(2)和SnO。

合金元素对中温Sn-Ag-Cu焊料互连组织及剪切强度的影响

针对SAC305和改良添加了Ni、Sb、Bi元素的2种焊料及其分别与NiSn、NiAu、NiPdAu 3种镀层器件钎焊形成的互连焊点,采用SEM、EDS、EPMA、TEM、DSC等方法研究了Ni、Au、Pd、Sb、Bi等添加元素对金属间化合物(IMC)种类及厚度、焊料第二相形貌及分布以及焊点剪切强度的影响。结果发现,受Ni元素界面耦合作用的影响,焊点器件侧和印刷电路板(PCB)侧生成的IMC均为(Cu, Ni)6Sn5化合物;焊料中Sb、Ni元素减缓IMC生长,因此同一镀层下改良焊料的界面IMC厚度小于SAC305的;镀层中Au元素降低IMC生长速率,而Pd元素促进IMC生长,因此同一焊料下NiPdAu镀层样品的界面IMC厚度最大,而NiAu镀层样品的界面IMC厚度最小;镀层中Au、Pd元素的加入,促进焊料中Ag3Sn相从弥散颗粒状分布转为网状分布,焊点强度得到提升;焊料中Ag、Cu元素的加入,增加弥散分布的(Cu, Ni)6Sn5和Ag3Sn体积分数,提高焊点剪切强度;焊料中添加Bi元素导致焊料熔点降低,但可析出Bi单质起到弥散强化作用;因此,添加了Ni、Sb、Bi元素的改良焊料的焊点剪切强度,均高于同等条件下SAC305焊点样品的剪切强度。

Cu-Ti复合焊料钎焊Si_(3)N_(4)陶瓷/Cu的显微结构和力学性能研究

本研究采用Cu-Ti复合焊料在不同温度和保温时间钎焊了Si_(3)N_(4)/Cu接头,研究了不同钎焊参数对接头显微组织和力学性能的影响。实验结果表明,接头的相组成主要是TiN、Ti_(5)Si_(3)和Cu-Ti化合物。在较低温度(890℃)下,Ti_(5)Si_(3)率先生长,较少的Ti扩散到了Cu里生成Cu_(3)Ti;当延长保温时间或提升钎焊温度(920℃)时,TiN在界面处沉积成薄层,Cu_(3)Ti也转变成了CuTi,同时,Ti_(5)Si_(3)在Cu里也有一定的扩散;当钎焊温度过高(950℃)时,Ti和Si_(3)N_(4)的反应程度较大,Cu-Ti化合物作为反应的中间相被消耗,剥离强度随着温度的升高呈现先升高后下降的趋势。在920℃钎焊60 min的接头中,TiN逐渐剥离出薄层,进一步优化界面组织,接头剥离强度最高,达到16.69 N·mm^(-1)。

添加不同含量Ga对新型SnInAg无铅焊料合金耐酸碱性的影响研究

为改进Sn-11In-1.5Ag无铅焊料合金焊料的耐蚀性,采用失重法和电化学实验研究了Sn-11In-1.5Ag-xGa(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,质量分数,%)焊料合金在腐蚀环境中的腐蚀行为。利用扫描电镜(SEM)观察Sn-11In-1.5Ag-xGa焊料合金的表面形貌,利用X射线衍射仪(XRD)对焊料表面的腐蚀产物进行表征。结果表明:无论是在酸性还是碱性溶液中,添加的Ga均能提高Sn-11In-1.5Ag焊料合金的耐蚀性。随Ga含量的增加,焊料的耐蚀性也随之增强。对于相同成分的焊料合金,其耐蚀性在碱性溶液中优于酸性溶液。SEM观察表明,在Sn-11In-1.5Ag合金中加入Ga可以明显减轻焊料的腐蚀程度。XRD分析表明,焊料合金在酸性和碱性溶液中的腐蚀产物均为In_(2)O_(3)。

电镀参数对电沉积Sn-Ag-Cu合金镀层的影响

采用自主研发的甲磺酸锡银铜电镀液在黄铜基体上制备了Sn-Ag-Cu合金镀层。通过扫描电子显微镜(SEM)及其自带的能谱仪(EDS)分析了电镀工艺参数对Sn-Ag-Cu合金镀层的成分、表面形貌以及镀层厚度产生的影响。结果表明,当电流密度为4 A/dm^(2)、温度为25℃及pH为5.5时,可获得结晶较细且致密,表面平整光亮且厚度均匀的Sn-Ag-Cu合金镀层。

Sb对Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.6Ga无铅焊料合金性能的影响

用CXZG-1真空感应熔炼炉制备6组Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.6Ga-x Sb(x=0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1%,质量分数)焊料合金,通过差示扫描量热法、润湿铺展试验、抗拉强度测试、扫描电镜观察、EDS能谱分析及X射线衍射物相分析等研究了Sb添加对新型低银系Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.6Ga-x Sb焊料合金综合性能的影响。结果表明:Sb添加对焊料的熔化温度及熔程影响较小;Sb可改善焊料合金的润湿性能,当Sb的质量分数为0.8%时,焊料的铺展系数为71.01%;Sb可细化焊料合金中的金属间化合物提升焊料的塑性,当Sb的质量分数为0.8%时,金属间化合物由长条状转化为不规则块状,此时焊料合金的抗拉强度为49.13 MPa,仅比质量分数为1%时小0.08 MPa。得出,Sb在Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.6Ga-x Sb焊料合金中最佳的质量分数为0.8%。

焊料微结构演化相场模拟研究和试验验证

电子封装焊料复杂的微结构特征与其宏观强度、硬度、蠕变和疲劳等性能密不可分,这些特征决定了焊料在承受热-力复杂载荷时的服役性能。为了深入揭示焊料的高温蠕变疲劳机理,必须紧密结合其独特的多尺度微结构特征,对焊料内复杂微结构的演化进行深入研究。本文构建了考虑热-力耦合作用下SnPb焊料的相场模型,并通过微结构表征试验及图像处理技术提取了焊料内部真实的微结构分布,将其作为相场模型的初始构型来模拟不同工况下SnPb焊料内部微结构的演化行为,并揭示了焊料内部微结构演化机制。最终,基于相场法的模拟结果和试验表征技术描述了焊料内部微结构与温度之间的定量关系,为建立具有物理机理的热-力复杂载荷下SnPb焊料宏观有限元本构模型提供了理论支持。

Ga元素对低银系Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料合金性能的影响

为改善SAC0307焊料合金的综合性能,在钎料中引入Ga元素。通过DSC、润湿铺展实验、拉伸试验、SEM、EDS以及XRD等手段探究不同质量分数Ga元素对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa(x=0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%)系焊料合金综合性能的影响。结果表明:Ga元素对低银系Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa焊料合金熔化温度以及熔程影响较小;Ga元素能够提高焊料合金的润湿性能,当Ga元素添加质量分数为0.6%时,焊料合金铺展率最大为67.55%,抗拉强度最大为40.18 MPa,这是由于焊料金属间化合物组织由长条状转化为不规则块状,细化程度最高;当Ga元素质量分数为0.8%时,增重比为0.21%,焊料合金的抗氧化性能最好,但只比质量分数为0.6%时少0.02%。因此根据焊料合金的综合性能确定Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa(x=0.6%)配方为最佳。

基于双分支Cauer模型的IGBT模块焊料层老化监测方法

以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的焊料层为研究对象,在传统Cauer模型的基础上,提出考虑芯片-铜端子热流支路的双分支Cauer模型,利用光纤温度传感器测量裸露在IGBT模块外部的铜端子温度和IGBT模块底板温度,以获取IGBT芯片结温,通过分析芯片结温、铜端子温度、底板温度的变化规律,准确定位焊料层老化位置,以区分芯片焊料层老化和底板焊料层老化,从而实现对不同焊料层的老化状态监测。

湿度对功率半导体器件芯片焊料热阻的影响机理

近年来,湿度对功率器件热特性的影响成已为热点话题。然而,功率器件芯片焊料热阻受湿度的影响尚未被试验证实,且影响机理仍不明确。该文基于试验测试、算例、仿真模型,首次提出湿度对功率器件芯片焊料热阻的影响机理。结果表明,湿度能入侵器件,并在两方面影响器件结-散热器瞬态热阻抗:(1)芯片焊料;(2)器件壳表面接触热阻。进一步地,探究芯片焊料的热容、密度、热导率受湿度影响机理,并结合算例可知,若水汽含量占芯片焊料层内物质总量的0.1%,芯片焊料的热容、密度、热导率将变化为原来的101.9%、100.0135%、91.4%。已校准热特性的仿真模型表明,焊料层热容的增大会导致焊料层热阻下降(整体热阻不变),焊料层热导率的减小会导致整个器件热阻上升,两种情况共同作用,影响实际户外应用工况下功率器件的工作寿命。

精锡和Sn-Ag-Cu合金氧化过程中的微量Zn富集行为

采用纯度为99.9%的精锡原料制备Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)合金,对微量Zn元素在精锡和Sn-3.0Ag-0.5Cu合金氧化过程中的表面富集行为进行了研究。将精锡与SAC305在300℃条件下分别进行动态氧化试验,结果表明,SAC305的渣率低于精锡。用XPS深度剖析法研究300℃静态条件下氧化后的精锡与SAC305的表面氧化情况。结果表明,氧化后的精锡和SAC305表面Zn元素的浓度是精锡原料中的1000倍以上,且SAC305较精锡表面具有更高的Zn元素浓度和更薄的氧化层厚度。综上,认为精锡原料中微量元素Zn在表面的高度富集会对锡及锡合金的氧化行为产生影响。在制备锡基合金焊料时,原料中的Zn元素应该予以关注。

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。