Mg颗粒强化对Sn58Bi/Cu焊点金属间化合物生长及机械性能的影响机理研究

采用机械混合的方法将Mg颗粒成功添加到Sn58Bi无铅钎料中,制备了一种新型复合钎料Sn58Bi-xMg(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)。针对该复合钎料在Cu衬底上形成焊点的显微组织和界面金属间化合物(IMC)的生长情况进行了深入观察与研究。试验结果表明,加入Mg颗粒起到了细化组织的作用,同时基体中均匀分散的Mg颗粒还抑制了Bi相的析出,有助于提高焊点的细化度和整体强度。随着Mg颗粒含量的增加,IMC层厚度逐渐减小,当Mg颗粒的添加量为0.4 wt.%时达到最低值,仅为3.03μm。值得注意的是,当Mg颗粒含量超过0.4 wt.%时,由于大粒径的Mg颗粒易发生团聚并容易氧化,导致强化效果不太理想。通过对IMC晶粒生长情况的观察,验证了Mg颗粒的引入能够成功细化IMC晶粒,从而实现细晶强化,提高焊点的整体强度。另外,与未添加Mg颗粒的焊点相比,Sn58Bi-0.4Mg焊点的抗剪强度提高了36.87%。此外,断口处出现韧窝也表明焊点的延展性得到明显提升。

电迁移对Sn58Bi组织及力学性能的影响

采用10 A电流对Cu/Sn58Bi/Cu对接接头进行加载,研究了不同通电时间下电迁移对Sn58Bi无铅钎料显微组织及力学性能的影响。结果表明:钎料显微组织在"电子风"力作用下发生明显的粗化,在阳极界面附近出现大块的富Bi相,且富Bi相的平均尺寸不断增大。在通电时间为200 h时,钎料的抗拉强度降低到13.3 MPa,相比于未通电的试样,降低幅度达到了69.2%,同时延伸长度从132μm降到48μm,钎焊接头的力学性能发生了明显的恶化。

Ni颗粒合金化对Sn58Bi钎料组织和性能的影响

针对Sn58Bi钎料组织和性能在时效阶段稳定性差的问题,研究了Ni(50 nm)颗粒合金化对时效阶段Sn58Bi钎料组织和性能的影响。研究结果表明:在时效反应阶段,复合钎料中会产生金属间化合物(IMC)阻挡层,抑制了Cu6Sn5向Cu3Sn的相变过程,使得Bi相无法再通过此相变过程而大量偏聚到钎缝结合处,从而提高了Sn58Bi-Ni钎料焊缝接头的组织稳定性能。当Sn58Bi钎料中添加的Ni颗粒后,Bi相的形核率得以提升,局部的钎料组织发生细化,纯Bi相和纯Sn相的偏聚被抑制,钎料内部组织时效稳定性能提高。当Ni质量分数约为0.5%时,在Sn58Bi-Ni复合钎料中组织及性能指标最佳。

Cu颗粒对Sn58Bi接头钎缝组织的影响

针对Cu颗粒(2μm)对Sn58Bi接头钎缝组织和力学性能的影响规律进行了探讨和实验研究。研究结果表明:当Sn58Bi钎料中添加Cu颗粒含量ω(Cu)=0.3%~1.0%时,细小的颗粒钉扎在晶界附近,抑制了Sn58Bi系钎料的纯Bi相和纯Sn相偏聚。同时Cu颗粒和颗粒周围形成的金属间化合物Cu6Sn5有效促进Bi相的形核细化了Bi相组织,但ω(Cu)>1.0%时,由于颗粒钉扎在晶界附近Cu颗粒与钎料中的Sn接触面积倍增促使Cu6Sn5的量增多而导致其周围摩尔体积的增加,为了达到系统的平衡状态,富Bi区出现极细长易断裂的Bi相组织,造成钎焊接头的力学性能下降。在实验数据内,未时效条件下含Cu的钎料力学性能优于未含Cu的钎料。当ω(Cu)=0.5%,接头拉剪强度最终达到5种钎料中的最大值。

Ag和Zn对Sn58Bi钎料润湿性及焊点组织的影响

采用感应熔炼方法制备钎料,研究了Ag,Zn元素添加对Sn58Bi钎料润湿性与焊点组织的影响,并对时效处理后的焊点界面金属间化合物(Intermetallic compounds,IMCs)的组成及生长规律进行了分析。结果表明,添加的Ag或Zn可与Sn分别生成Ag3Sn,Ag5Zn8,并可显著减少钎料中枝晶含量与细化钎料组织,但不能显著促进Sn58Bi钎料的润湿性。而共同添加的Ag,Zn并不能使得钎料组织发生细化并降低钎料的润湿性。共同添加的Ag和Zn使得焊点界面处形成Cu8Zn5+Ag5Zn8的复合IMCs层,该复合IMCs层可显著的减小IMCs的初始厚度,并降低其生长速度。

Sn58Bi-xW复合钎料焊点微观组织及性能的研究

采用SEM、EDX等手段,研究了Sn58Bi-x W钎料润湿性能、组织形貌及焊点接头力学性能。结果表明:适量W颗粒可以提高Sn58Bi润湿性,随着W颗粒含量的增加,钎料的润湿性呈现先上升后下降的趋势,W质量分数为0.05%时润湿性最好,其铺展面积为132.73 mm^2。W颗粒可以有效细化Sn58Bi钎料合金的微观组织,减小焊点界面IMC厚度,当W添加量为质量分数0.1%,Sn-58B钎料的微观组织最为细小,界面IMC的厚度为0.71μm,焊点的抗拉强度最高,达101.6 MPa。

浇注温度对Sn58Bi合金显微组织与性能的影响

研究了浇注温度对无铅焊料低温合金Sn58Bi的显微组织、熔化特性、硬度与抗拉强度的影响,并分析其断口形貌特征。结果表明,不同浇注温度得到的合金显微组织有很大差别。浇注温度在(165±5)℃时,合金组织主要是细小纯Bi相、Sn/Bi共晶相与呈点状分布的富Sn相,细小纯Bi相周围的共晶相相对其他位置的更加粗大,整个组织偏析严重;浇注温度在(255±5)℃时,合金组织中纯Bi相大量减少,富Sn相呈枝晶状分布,组织整体比较细小;当浇注温度提高至(305±5)℃时,纯Bi相基本消失,只有树枝晶富Sn相与Sn/Bi共晶相。随着浇注温度的提高,Sn58Bi合金的熔化特性基本没有变化,但是合金的硬度逐渐变小,抗拉强度先上升后下降,断后伸长率先下降后上升,断口呈比较典型的解理脆断特征。

Ni-CNTs增强颗粒对Sn58Bi-0.1Er焊点组织与力学性能的影响

采用真空熔炼方法制备了不同Ni-CNTs含量的Sn58Bi-0.1Er钎料合金,研究不同Ni-CNTs含量对Sn58Bi-0.1Er复合钎料在Cu基板上的润湿性能的影响,并对不同Ni-CNTs含量下接头界面处金属间化合物的组织形貌及接头的剪切性能进行了分析.结果表明,当Ni-CNTs增强颗粒的添加为0.01%~0.05%(质量分数)时,复合钎料合金在铜板上的润湿性得到了提高,随着Ni-CNTs含量的进一步增加,复合钎料在铜板上的润湿性开始呈下降趋势;随着Ni-CNTs的加入,Sn58Bi/Cu界面金属间化合物由锯齿状的Cu_(6)Sn_(5)转变成薄层状的(Cu,Ni)_(6)Sn_(5),NiCNTs增强颗粒的加入可以有效减小界面金属间化合物层的厚度;Ni-CNTs增强颗粒的加入提高了Sn58Bi/Cu接头的剪切力,当Ni-CNTs的添加量为0.1%时,接头的剪切力最高为432.86 N,较Sn58Bi-0.1Er钎料接头的剪切力提升了两倍以上.Ni-CNTs增强颗粒的添加有效地改善了Sn58Bi-0.1Er接头的力学性能.

Ag和Sb对Sn58Bi钎料组织的影响

针对低温Sn58Bi钎料组织粗化问题,研究了添加Ag、Sb元素对Sn58Bi钎料组织组成、相含量及组织细化的影响规律。结果表明:添加Ag、Sb使钎料中生成针状Ag3Sn与点状的Sb2Sn3相,提高了钎料中树枝晶及β-Sn相含量,添加Ag或Sb均可细化组织,但共同添加Ag、Sb时组织有粗化倾向。

Sn57Bi(X)多元钎料与Sn58Bi钎料的微观组织及钎焊性能对比研究

文中主要研究了Sn57Bi0.5Cu0.5SbNiTi,Sn57Bi1Ag和Sn58Bi在金相组织、熔化特性、铺展率、界面反应、抗剪强度和蠕变特性上的差异,分析造成3种不同合金成分的无铅钎料性能差异的成因,寻求一种更好的多元合金来提升Sn58Bi共晶钎料的性能,实现对高成本Sn57Bi1Ag无铅钎料的有效替代。

42Sn58Bi-96.5Sn3.5Ag系焊点疲劳性能的研究

本文研究了热处理时间对不同组分的４２Ｓｎ５８Ｂｉ－９６．５Ｓｎ３．５Ａｇ焊料疲劳性能的影响，研究发现适当的热处理时间能提高焊点的机械强度，延长焊点的疲劳寿命。

Ag,Sb对时效处理的Sn58Bi钎料组织及硬度影响

针对Sn58Bi钎料高温易粗化与脆性的问题,采用感应熔炼方法制备钎料,研究了Ag,Sb元素添加对Sn58Bi钎料时效处理前后的组织与维氏硬度的影响。结果表明,Sn58Bi钎料在时效过程中,树枝晶Bi元素扩散进入等轴晶的Bi相中,进而造成了钎料组织的粗化;Ag的添加可细化组织、提高钎料时效处理前后的钎料硬度,Sb的添加可细化时效前组织并降低时效处理前后的钎料硬度,而Ag和Sb的共同添加使组织的粗化,并降低时效前硬度、提高时效后硬度。

热循环对Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点界面与性能影响

为了改善Sn58Bi低温钎料的性能,通过在Sn58Bi低温钎料中添加质量分数为0.1%的纳米Ti颗粒制备了Sn58Bi-0.1Ti纳米增强复合钎料。研究了纳米Ti颗粒的添加对-55~125℃热循环过程中Sn58Bi/Cu焊点的界面金属间化合物(IMC)生长行为的影响。结果表明:回流焊后,在Sn58Bi/Cu焊点和Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点的界面处都形成一层扇贝状的Cu_(6)Sn_(5)IMC层。在热循环300次后,在Cu_(6)Sn_(5)/Cu界面处形成了一层Cu3Sn IMC。Sn58Bi/Cu焊点和Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度均和热循环时间的平方根呈线性关系。但是,Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度明显低于Sn58Bi/Cu焊点,这表明纳米Ti颗粒的添加能有效抑制热循环过程中界面IMC的过度生长。另外计算了这2种焊点的IMC层扩散系数,结果发现Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层扩散系数(整体IMC、Cu_(6)Sn_(5)和Cu3Sn IMC)明显比Sn58Bi/Cu焊点小,这在一定程度上解释了Ti纳米颗粒对界面IMC层生长的抑制作用。

静磁场对Sn58Bi焊点凝固显微组织的影响

采用对比分析的方法,观察了Cu/Sn58Bi/Cu和Ni/Sn58Bi/Ni焊点在匀强磁场下的凝固显微组织变化,研究了静磁场对焊点凝固显微组织的影响。结果表明:静磁场条件下,焊点的三明治结构在凝固过程中使界面附近产生明显温度梯度,导致界面附近的显微组织层片间距增大;慢速冷却利于粗大规则的共晶组织形成;Ni基板焊点的界面金属间化合物形成不规则的锯齿状结构。

Ge对Sn⁃58Bi焊料合金微观组织和性能的影响

Sn‐Bi焊料是一种低温无铅焊料,在低温焊接领域应用较为广泛,但其存在脆性大和延展性差的缺点。为此,制备不同Ge含量的Sn‐58Bi焊料合金,研究不同Ge添加量对Sn‐58Bi焊料合金的显微组织、熔化特性、润湿性和力学性能的影响。结果表明:添加Ge元素可以显著细化Sn‐58Bi焊料合金的共晶组织。当添加的Ge元素质量分数为0.005%~0.01%时,焊料合金的湿润性有明显提升;Ge的添加量从0增大到0.01%时,Sn‐58Bi合金的拉伸强度和断后伸长率均提升显著,但继续增加Ge的含量,合金拉伸强度和断后伸长率提升缓慢。Ge元素的添加对Sn‐58Bi焊料合金的熔点基本没有影响。

添加微量稀土对SnBi基无铅钎料显微组织和性能的影响

研究了添加微量稀土对Sn58Bi基无铅钎料熔化温度、润湿性能、钎焊接头强度、高温时效前后IMC厚度的变化和显微组织的影响,并与添加一定量Ag对Sn58Bi钎料的试验结果做了比较。试验所用钎料为Sn58Bi,Sn58Bi0.5Ag,Sn58Bi0.1RE和Sn58Bi0.5Ag0.1RE,添加稀土为Ce基混合稀土。试验结果表明,添加微量稀土不仅抑制了Sn58Bi钎料高温时效引起的IMC的生长,而且细化了显微组织;微量稀土添加对钎料熔化温度没有明显影响,但能显著改善Sn58Bi钎料的润湿性能和接头强度,而且改善的程度优于添加微量Ag对Sn58Bi钎料的作用。

热循环条件下Sn基钎料接头电迁移行为研究

通过电迁移和热疲劳循环实验,研究了热循环和高电流密度耦合作用下Sn58Bi和Sn3.0Ag0.5Cu钎料焊接接头的失效形式。实验结果表明,在通电和高低温冲击的耦合作用下,两种钎料接头的失效都发生在升温阶段。热循环导致接头内部裂纹的萌生和扩展,导致局部电流密度持续增大,加速了电迁移的发生,最终导致焊点失效。在热电耦合作用下,Sn58Bi钎料接头的使用寿命要长于Sn3.0Ag0.5Cu钎料接头的使用寿命。

共晶SnBi焊点不同温度条件下的电迁移行为

以共晶Sn-58Bi无铅钎料电迁移为研究对象,观察和对比分析了在50℃高温条件下与在热循环条件下Sn Bi焊点接头电迁移的显微组织的演变和电阻变化。研究表明,在高温试验条件下焊点的电阻不断升高,电迁移损伤较为严重。在热循环电迁移耦合条件下,高电流密度产生的焦耳热在试验初期能减小焊点在低温驻留时间裂纹的萌生几率,有效减缓热循环的低温段对焊点的损伤,但严峻的温度循环条件最终会加速焊点的失效。在电迁移作用下,高温条件下接头的服役寿命要长于温度循环条件下接头的服役寿命。

基于毛细填缝效应的CGA器件植柱连接

针对CGA器件在制造过程中存在的连接质量易受辅助模具影响、辅助模具通用性差、成本高等问题,采用一种基于毛细填缝效应的CGA焊柱成型方法。以Sn58Bi+Sn37Pb为主要研究对象,研究了温度、时间、毛细间隙等因素对连接质量的影响。通过金相显微镜对焊件微观组织形貌进行观察,借助推拉力计对植柱焊点的性能进行表征。研究结果表明,随着回流时间和回流温度的增加,IMC层厚度增大,植柱焊点性能提高,融合区Bi相逐渐向锡铅相扩散。毛细间隙大小由0.025 mm增大到0.075 mm时,界面处空洞率明显降低,拉拔强度逐渐增大,界面强度提高。Sn58Bi与Sn37Pb钎料融合区处,Sn58Bi钎料合金微观组织致密网状结构改变。

焊接温度对SnBi焊料在Cu基板上润湿性能的影响

SnBi无铅焊料因其优异的性能、相对较低的熔点和较低的成本,被广泛应用于低温焊接领域。然而,SnBi低温焊料在电子封装领域的应用研究相对较少。本文研究了焊接温度对电子封装用Sn42Bi58焊料在Cu基板上润湿性能的影响,结果表明:随着焊接温度的升高,Sn42Bi58焊料合金的润湿性能不断变好,润湿时间从0.883 s降低到0.398 s,扩展率从75.22%增大至77.89%;抗氧化特性则随焊接温度的升高而逐渐变差。