Sn2.5Ag0.7CuxRE钎料时效焊点界面IMC研究

以Sn2.5Ag0.7CuxRE/Cu钎焊为研究对象,借助于扫描电镜和X衍射检测手段,研究了二硫化钼介质下时效焊点界面IMC组织结构特征及生长行为。实验结果表明:时效焊点界面Cu6Sn5IMC呈现由波浪状→扇贝状→层状的形态变化。焊点界面Cu6Sn5和Cu3Sn IMC的生长厚度与时效时间平方根呈线性关系,Cu6Sn5IMC具有较小的生长激活能、较大的生长系数。添加0.1%(质量分数)RE时,界面Cu6Sn5和Cu3Sn IMC的生长激活能最大,分别为81.74 kJ/mol和92.25 kJ/mol,对应焊点剪切强度最高。

低银Sn2.5Ag0.7CuxRE钎料合金的润湿特性

采用润湿平衡法,研究了水洗钎剂条件下Sn2.5Ag0.7CuxRE无铅钎料合金在1206片式元器件和Cu焊盘上的润湿特性。结果表明,添加0.1%(质量分数)稀土的Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金在1206表面贴装元器件和Cu焊盘上有最大的润湿力和铺展面积及最小的润湿角,润湿性最好,其润湿力优于商用的Sn3.8Ag0.7Cu钎料合金,满足微电子连接用钎料对润湿性能的要求。

RE对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点性能的影响

利用X射线衍射分析仪(XRD)和JSM-5610LV扫描电镜(SEM)研究RE含量对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点界面区显微组织、剪切强度和蠕变断裂寿命的影响。结果表明:Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点界面区金属间化合物由靠近钎料侧Cu6Sn5和靠近Cu基板侧Cu3Sn构成;添加微量RE可细化Sn2.5Ag0.7Cu焊点内钎料合金的显微组织和改善钎焊接头界面区金属间化合物的几何尺寸及形态;当RE添加量为0.1%时,焊点的剪切强度最高,蠕变断裂寿命最长。

微量稀土及工艺参数对SnAgCu钎料合金润湿特性的影响

选用商用水洗钎剂,采用润湿平衡法研究了Sn2·5Ag0·7CuXRE系钎料合金在不同钎焊工艺参数下对表面组装元器件润湿特性的影响。研究结果表明:添加微量稀土(RE)可改善钎料的润湿特性,当RE添加量(质量分数)达0·1%时,润湿效果最好;钎焊温度升高、钎焊时间和预热时间延长,可不同程度提高润湿力,但钎焊温度过高、时间过长,润湿力下降;Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金在最佳钎焊工艺参数钎焊温度250℃、预热时间15s、钎焊时间5s时,润湿力最大,达到现行商用Sn3.8Ag0.7Cu钎料合金的润湿力,能满足表面组装对无铅钎料润湿性能的要求。

RE对SnAgCu钎料合金及焊点性能的影响

利用JSM-5610LV扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)等测量方法,研究了微量RE对Sn-2.5Ag-0.7Cu无铅钎料的显微组织、润湿特性、拉伸强度及焊点剪切强度和蠕变断裂寿命的影响。结果表明,向Sn-2.5Ag-0.7Cu中添加0.1%RE可明显细化钎料合金的显微组织,改善钎料合金的润湿特性,提高钎料合金的抗拉强度、伸长率及焊点剪切强度,增加焊点的蠕变断裂寿命。当RE添加量为0.5%时,由于形成了RE化合物而明显恶化钎料合金的性能。

微量稀土对SnAgCu无铅钎料力学及润湿性能的影响

对真空条件下制备的Sn2.5Ag0.7CuxRE钎料合金的力学及润湿性能进行了研究。结果表明:当RE添加量为0.1%(质量分数)时,钎料合金具有较大的铺展面积、较小的润湿角和较高的拉伸强度、伸长率,可满足微电子连接的需要。

Ni对SnAgCuRE钎料及其钎焊接头性能的影响

以商用Sn3.8Ag0.7Cu为参照系,研究了Ni对Sn2.5Ag0.7Cu0.1 RE钎料合金及其钎焊接头性能的影响。研究结果表明,添加0.05%(质量分数)Ni能在不降低Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金抗拉强度的同时显著提高其伸长率,是商用Sn3.8Ag0.7Cu的1.4倍;相应地钎焊接头的蠕变断裂寿命最长,为未添加Ni时的13.3倍,远高于现行商用Sn3.8Ag0.7Cu的,满足微电子连接高强韧高可靠性无铅钎料合金系的需求。

快速凝固Sn2.5Ag0.7Cu钎料中金属间化合物的形态及对焊点性能的影响

利用SP009A型半自动非金属系制造器,通过铜制单辊快淬工艺制得快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金薄带,采用JSM-5610LV扫描电镜及能谱仪,研究快速凝固态钎料合金的微观形貌及金属间化合物(IMC)特征;通过钎焊接头组织与剪切断口分析,研究IMC对钎焊接头韧性的影响机制。结果表明:快速凝固态钎料合金焊点界面处形成的排列紧密的小尺寸β-Sn能有效抑制界面处IMCCu6Sn5的长大;在钎焊过程中,钎料中过饱和固溶体析出大量尺寸细小、弥散分布的金属间化合物Cu6Sn5和Ag3Sn,凝固时可作为第二相粒子与初生相混杂在一起,形成细小共晶组织分布于钎缝中,改善了焊点韧性。

超声波振动对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu润湿性的影响

研究超声波功率、作用时间对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料在Cu板上的润湿过程。结果表明,超声波振动能够提高钎料合金的润湿性能。与不加超声波振动相比,在钎焊温度270℃,超声波振动功率88W、作用时间45 s的条件下,铺展面积提高了72.7%,润湿角降低了35.5%。同时,超声波振动促进了润湿过程Cu原子的扩散。

钎焊温度与时间对急冷型Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金钎焊接头性能及界面IMC生长行为的影响

对所制备的急冷型Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金进行了钎焊工艺试验,然后对钎焊接头进行了抗剪强度测试、断口形貌和显微组织分析,研究了钎焊温度与时间对接头性能以及界面金属间化合物生长行为的影响,结果表明:钎焊温度和钎焊时间不同,接头界面处金属间化合物的形成及生长情况也存在差异,并因此影响了接头的强度。

电场对超声振动辅助Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu润湿适配性的影响

研究了电场对超声振动辅助的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu润湿适配性的影响。结果表明,电场能够提高超声振动辅助的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金在铜板上的润湿性;与不加电场相比,在温度270℃,电场强度1.5 kV/cm,电场作用时间60 s条件下,电场促进了超声振动辅助钎料润湿过程Cu原子的扩散,使钎料铺展面积提高20%,润湿角减小20.4%。

超声波和电场共同作用下SnAgCuRE/Cu钎焊接头的时效特性

研究了时效对电场和超声振动共同作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头组织与性能的影响。结果表明:Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头界面生成的IMC主要由靠近钎料合金一侧的Cu6Sn5相,而时效后界面靠近Cu一侧出现Cu3Sn。时效过程中,随着时效时间和时效温度的增加,Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu界面区生长受扩散机制控制,IMC总厚度增加,力学性能下降。

快速凝固态Sn2．5Ag0．7Cu钎料钎焊接头的显微组织

采用单辊法制备了快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金,在相同钎焊工艺条件下,用扫描电镜及能谱仪、拉伸试验机研究了普通和快速凝固态钎料对紫铜板钎焊接头的组织、断口形貌、界面化合物和接头性能。结果表明:与普通钎料相比,快速凝固态钎料钎焊接头组织细化,初生β-Sn相尺寸减小而数量增多、共晶组织明显减少,并且初生相与共晶组织界线变得模糊;剪切断裂时形成的韧窝更多,钎焊接头的韧性得到提高。

外能辅助作用下的Cu/Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头的时效断裂机制

在超声振动和电场辅助作用下进行了SnAgCuRE系钎料的钎焊试验。为模拟电子产品真实服役环境将钎焊接头进行时效处理,借助于现代理化检测手段研究了时效钎焊接头的力学性能及其断裂机制。结果表明:在温度150℃、时间200h的条件下对钎焊接头进行时效处理验证了超声功率88W、超声时间60s和电场强度2kV/cm外能辅助条件下进行钎焊可明显改善接头的剪切强度。钎焊接头的断裂途径与断裂机制发生明显变化。无超声电场作用钎焊接头在IMC层发生脆性断裂;超声振动辅助下钎焊接头在IMC层和钎缝的结合面发生脆性和韧性的混合断裂,主要由颗粒状的IMC相和局部的"抛物线"剪切韧窝组成;超声振动和电场辅助作用的钎焊接头在钎缝发生韧性断裂,主要由尺寸较大的"抛物线"剪切韧窝组成。

Ni-rGO增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料钎焊接头显微组织与性能

采用粉末熔化法制备了镍粒子修饰的还原氧化石墨烯(Ni-rGO)增强Sn2. 5Ag0. 7Cu0. 1RE复合钎料,借助于扫描电子显微镜和X射线衍射,研究了Ni-rGO增强Sn2. 5Ag 0. 7Cu 0. 1RE复合钎料钎焊接头的显微组织与性能。研究结果表明:Ni-rGO增强Sn2. 5Ag0. 7Cu0. 1RE复合钎料与Cu基板可实现良好焊接。在钎焊温度270℃、钎焊时间240 s时,复合钎料钎焊接头剪切强度为29. 7 MPa,高于Sn3. 0Ag0. 5Cu钎料钎焊接头。随着钎焊时间的增加,钎焊接头剪切断裂机制呈现由以韧窝为主的韧性断裂向韧窝和解理组成的韧-脆混合断裂转变,断裂途径由钎缝和界面金属间化合物(IMC)层组成的过渡区向界面IMC方向移动。复合钎料钎焊接头钎缝区由β-Sn和共晶组织组成,界面IMC层由Cu6Sn5和新相(Cu,Ni)6Sn5组成。Ni-rGO增强Sn2. 5Ag0. 7Cu0. 1RE复合钎料钎焊接头的IMC厚度、粗糙度增加,界面IMC显微组织由扇贝状转变为锯齿状。

粉末冶金工艺对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE无铅钎料组织性能的影响

在低熔点Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金粉末冶金制备工艺设计基础上,研究了预压和烧结对钎料合金组织与力学性能的影响。研究结果表明:低熔点Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金粉末冶金工艺预压应力和烧结温度分别为160 MPa和210℃,均高于高熔点铜、铝合金的预压应力和烧结温度。与熔炼法相比,Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金抗拉强度提高了15.5%。烧结会影响Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金初生β-Sn相和共晶组织形态,随烧结温度升高,初生β-Sn相组织比例升高。

快速凝固对Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金熔化与铺展特性的影响

采用单辊法制备了快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金薄带,通过DSC检测和铺展试验研究了快速凝固对Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金熔化与铺展特性的影响。结果表明:快速凝固态钎料熔化区间为6℃,较常态钎料小9℃;与常态钎料相比,快速凝固态钎料能够在较低温度(260℃)、较短时间(3min)实现速度更快、面积更大的铺展。

Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头热迁移组织与性能

针对微焊点服役过程中由大温度梯度导致的热迁移问题,设计了一种热迁移试验装置,研究了复合钎料/Cu钎焊接头热迁移过程中的组织演变与力学性能。研究结果表明:设计的试验装置可满足单一热迁移试验条件。与未热加载时相比,Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头热迁移200 h后,接头热端Cu;Sn;界面金属间化合物(IMC)大幅减薄并在界面出现微孔洞;冷端界面粗大扇贝状IMC厚度明显增加,冷端Cu/Cu;Sn;界面间生成平均厚度1μm的层状IMC Cu;Sn;。热加载200 h后,钎焊接头剪切强度降低33%。复合钎料钎焊接头断裂位置由热端界面IMC/钎缝的过渡区向界面IMC方向迁移;随热加载时间增加其断裂机制由韧性断裂向先转变为以韧性断裂为主的韧-脆混合断裂,再转变为以脆性断裂为主的韧-脆混合断裂。Ni-GNSs增强相的添加可抑制复合钎料/Cu钎焊接头的热迁移。

热冲击下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头组织与性能

借助于SEM、EDS、XRD等检测手段对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头进行观察分析,研究了钎焊工艺参数及热冲击条件对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头界面金属间化合物和力学性能的影响。结果表明:添加0.05%(质量分数)Ni能细化Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金的初生β-Sn相和共晶组织;钎焊温度270℃和钎焊时间240 s时,钎焊接头抗剪切强度最大达26.9 MPa,较未添加Ni的钎焊接头提高8.9%;随着热冲击周期的增加,钎焊接头界面金属间化合物层平均厚度增加,界面粗糙度先增大后减小,钎焊接头强度降低;添加0.05%Ni能够抑制接头界面金属间化合物的成长、钎焊接头强度的降低,有利于改善接头可靠性。

快速凝固Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金凝固组织特征

通过单辊快淬工艺制备了快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金薄带,采用XRD、SEM与EDS等分析方法研究了其凝固组织。结果表明,常规熔铸态钎料和快速凝固钎料合金中均存在β-Sn、Ag3Sn、Cu6Sn53种物相。但经快速凝固后合金中Sn相的比例明显增加,而Ag3Sn、Cu6Sn5相减少,合金组织明显细化且初生相及共晶组织形态发生显著变化。