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Ni对Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料性能影响及其纳米级力学行为的研究

2020-12-06阅读(733)

Ni对Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料性能影响及其纳米级力学行为的研究

论文摘要

由于铅及其化合物对人体和环境的危害和立法的需要,钎料无铅化已成为电子封装连接材料发展的必然。新型的无铅钎料已在工业生产中得到了应用,但在性能上仍存在着不足。本文通过向低银Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料添加微量的Ni元素,研究Ni对Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料物理性能、力学性能和时效前后界面化合物的影响,并分析了Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅体钎料、BGA锡球和BGA焊点的纳米级力学行为。研究结果表明,添加Ni元素后,Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料合金的熔化温度略有升高,但升高幅度不大。熔程缩短,有利于在钎焊过程中形成可靠的连接焊点。加入微量的Ni元素可以改善钎料合金的润湿性,当添加0.05%Ni时润湿时间最短;当添加0.1%Ni时,润湿力最大,润湿效果最好。加入Ni元素后初生相β-Sn明显细化,有利于改善钎料的力学性能。随着Ni含量的增加钎料合金的抗拉强度略有降低,而延伸率呈抛物线趋势变化,当Ni含量为0.05%时延伸率最大。Ni元素对钎料合金的显微硬度影响不大。Ni对IMC厚度的影响呈抛物线趋势,当添加0.05%Ni时IMC厚度最小。对Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅体钎料、BGA锡球和BGA焊点进行了纳米压痕试验。基于Oliver-Pharr法确定Sn-0.3Ag-0.7Cu合金在三种状态下的弹性模量,从压痕深度-载荷关系曲线提取出压痕时间-深度关系曲线,并通过运算拟合得到三种状态合金的蠕变速率敏感指数等参数。结果表明,体钎料的弹性模量和蠕变速率敏感指数大约是BGA锡球和BGA焊点的2.5倍。从压痕硬度曲线得到三种状态合金的维氏硬度,并与显微硬度计得到的数据进行比较。当加载速率为20mN/s时,纳米压痕得到体钎料的维氏硬度值与显微硬度计得到的数值完全一致。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 微电子封装技术的发展
  • 1.2.1 表面组装技术（SMT）
  • 1.2.2 球栅阵列连接（BGA）
  • 1.2.3 倒装芯片技术（Flip-Chip）
  • 1.2.4 晶圆片级芯片规模封装技术（WLCSP）
  • 1.3 国内外禁铅立法状况
  • 1.4 电子封装无铅钎料的研究现状
  • 1.4.1 无铅钎料的性能要求
  • 1.4.2 无铅钎料的研究进展
  • 1.4.3 低银SnAgCu 钎料的专利状况
  • 1.5 本课题研究的目的和内容
  • 1.5.1 本课题的研究目的
  • 1.5.2 本课题研究内容
  • 第2章 Sn-0.3Ag-0.7Cu-xNi 钎料熔化特性及润湿性
  • 2.1 引言
  • 2.2 Sn-0.3Ag-0.7Cu 无铅钎料的应用现状
  • 2.3 合金的熔炼
  • 2.3.1 Sn-Ni 合金的熔炼
  • 2.3.2 钎料的熔炼过程
  • 2.3.3 Sn-0.3Ag-0.7Cu-xNi 钎料合金的熔炼
  • 2.4 钎料合金的熔化特性
  • 2.4.1 DSC 试验方法
  • 2.4.2 实验结果与分析
  • 2.5 钎料的润湿性能
  • 2.5.1 润湿平衡法的原理
  • 2.5.2 润湿试验过程
  • 2.5.3 润湿结果与分析
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 Sn-0.3Ag-0.7Cu-xNi 钎料组织与拉伸性能
  • 3.1 引言
  • 3.2 钎料的组织分析
  • 3.2.1 钎料组织试样制备
  • 3.2.2 钎料的微观组织形貌
  • 3.3 钎料的显微硬度
  • 3.4 钎料的拉伸性能
  • 3.4.1 拉伸试验过程
  • 3.4.2 拉伸试验结果分析
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 钎焊界面反应与时效对界面的影响
  • 4.1 引言
  • 4.2 钎焊试样及时效试样的制备
  • 4.2.1 钎焊试样的制备
  • 4.2.2 时效试样的制备
  • 4.3 试验结果与分析
  • 4.3.1 Sn-0.3Ag-0.7Cu-xNi/Cu 界面形貌
  • 4.3.2 液固反应金属间化合物生长动力学
  • 4.3.3 固态反应金属间化合物生长动力学
  • 4.3.4 时效对钎焊界面的影响
  • 4.3.5 时效结果与分析
  • 4.4 Ni 对IMC 厚度的影响
  • 4.4.1 实验结果与分析
  • 4.4.2 Cu-Sn IMC 生长的驱动力
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 Sn-0.3Ag-0.7Cu 体钎料、BGA 锡球、BGA 焊点的纳米级力学行为
  • 5.1 引言
  • 5.2 低银BGA 锡球
  • 5.2.1 低银BGA 的现状
  • 5.2.2 低银BGA 锡球的特点
  • 5.2.3 BGA 锡球及焊点的制作
  • 5.3 纳米压痕测试仪器及其基本组成
  • 5.4 力学性能参数确定的原理
  • 5.4.1 压痕硬度的定义
  • 5.4.2 Young’s 模量的确定
  • 5.4.3 蠕变速率敏感指数的确定
  • 5.5 纳米压痕实验结果分析
  • 5.5.1 体钎料、BGA 锡球和 BGA 焊点的压痕曲线
  • 5.5.2 体钎料、BGA 锡球和 BGA 焊点的压痕蠕变曲线
  • 5.5.3 体钎料、BGA 锡球和 BGA 焊点的硬度曲线
  • 5.5.4 体钎料压痕硬度曲线
  • 5.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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