Sn-Ag系无铅焊料中金属间化合物的形成与控制

论文题目: Sn-Ag系无铅焊料中金属间化合物的形成与控制

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 沈骏

导师: 高后秀

关键词: 无铅焊料,共晶合金,金属间化合物,凝固,高温时效,纳米相

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 微电子封装工艺中,起到热、电和机械连接作用的无铅焊料合金组织中金属间化合物的形态和分布直接影响着该合金的连接性能。本文以共晶配比附近的Sn-Ag合金为研究对象,通过改变成分配比和凝固速率系统研究了其凝固过程中金属间化合物相（Ag3Sn）的析出规律。结合显微组织观察、热分析和热力学计算,从凝固过程两相竞争生长的角度揭示了块状金属间化合物Ag3Sn的形成机理。采用高温时效模拟焊点的高温服役过程,阐明了在持续高温环境下合金组织中金属间化合物相的演化规律。最后探讨了第三组元及异相纳米ZrO2微粒的掺入对合金组织中金属间化合物的析出控制及强化机理。上述研究包括的主要内容和获得的结论是:通过改变冷却介质,系统研究了亚共晶、共晶和过共晶Sn-Ag合金在不同凝固速率下其组织中金属间化合物的形成规律。结果表明:只在缓冷过共晶合金凝固组织中有块状金属间化合物Ag3Sn的析出。在较快凝固速率下,三种合金组织均呈现亚共晶组织特征,即由初生β-Sn枝晶和由Ag3Sn相与β-Sn相共晶体所构成。这归因于非平衡条件下的动力学过冷使合金凝固过程按亚稳伪共晶反应进行。提高凝固速率对合金组织的影响为:一方面,符合经典共晶合金枝晶生长规律,其β-Sn枝晶得到细化,即: d = 3. 7tf0.43(其中为β-Sn枝晶二次枝晶间距,凝固速率在0.08～104Ks-1的范围内)。另一方面,符合弥散强化原理,在共晶体区域中析出纳米Ag3Sn相提高了其显微硬度。在低速凝固速率下,发展了一种通过合金凝固时的名义热容曲线来确定固相体积转变过程,进而确定组织中块状金属间化合物体积分数的有效方法,结合定量金相分析和热力学计算,揭示了过共晶合金组织中块状金属间化合物Ag3Sn的形成机理,即:凝固时,合金熔体中的共晶Ag3Sn相因与初生Ag3Sn相有共同的晶体结构,会在小过冷度下依附于后者生长并成为块状金属间化合物Ag3Sn,并且该块状相的体积分数值随着合金凝固速率的提高而增大。采用高温时效处理模拟焊点高温服役过程研究了Sn-3.5Ag合金在持续高温环境下的组织稳定性。结果表明:合金组织中金属间化合物Ag3Sn相的演化符合系统自由能最小原理。平衡凝固合金组织中Ag3Sn相趋于破裂和表面球化;而非平衡凝固合金组织中Ag3Sn相在初生β-Sn枝晶晶界的扩散推移作用下合并成为块状金属间化合物Ag3Sn。通过精确的热焓计算和精细的组织分析,揭示了非平衡凝固合金组织中纳米Ag3Sn相的生长驱动力源于其较高的表面能,使其处于热力学亚稳状态。但由于该纳米Ag3Sn相仅局部分布于共晶组织中,因此该合金在室温下仍然结构稳定。针对缓冷凝固Sn-Ag合金组织中块状金属间化合物Ag3Sn对焊接性能的不利影响,探讨了在该合金中加入少量第三组元Cu、In和Zn以及异相纳米ZrO2微粒来控制其形成的可行性。结果表明:在上述组元中只有Zn能影响合金凝固后组织中块状金属间化合物Ag3Sn的形成,这归因于Zn与Ag在低过冷度下形成的高温β′-AgZn相改变了焊料中的相析出次序,从而有效降低了其熔体过冷度。因此,在选择能控制Sn-Ag合金组织中块状Ag3Sn相形成的第三组元时,应考虑在凝固时能与Ag结合形成金属间化合物并在Ag3Sn相之前析出的组元。而异相纳米ZrO2微粒,因其具有较高的表面活性,可通过表面吸附效应来降低合金组织中金属间化合物Ag3Sn的表面能,并抑制其进一步生长,从而可有效避免块状金属间化合物Ag3Sn的形成,并使合金组织细化、力学性能提高。

论文目录:

中文摘要

ABSTRACT

第一章 文献综述

1.1 焊料合金在微电子封装及组装互连技术中的使用

1.2 无铅焊料的研究背景

1.2.1 环境立法禁止含铅焊料的使用

1.2.2 电子器件微型化的趋势需要发展无铅焊料

1.3 无铅焊料的性能评价

1.3.1 熔点

1.3.2 连接界面的润湿性

1.3.3 热学性能

1.3.3.1 热膨胀系数

1.3.3.2 导热性能

1.3.4 导电性能

1.3.5 力学性能

1.3.5.1 拉伸性能

1.3.5.2 剪切性能

1.3.5.3 蠕变性能

1.3.5.4 抗疲劳性能

1.4 无铅焊料研究中的前沿问题

1.4.1 电子迁移

1.4.2 锡须的产生

1.4.3 金属间化合物

1.5 Sn-Ag系无铅焊料的研究与发展

1.5.1 Sn-Ag无铅焊料的力学性能

1.5.2 Sn-Ag无铅焊料的凝固过程

1.5.3 新组元对Sn-Ag无铅焊料的影响

1.5.4 复合Sn-Ag无铅焊料的研发

1.6 本文的主要研究内容

第二章 研究内容与方法

2.1 主要研究内容

2.2 焊料合金的熔配

2.3 高温时效热处理

2.4 分析测试方法

2.4.1 显微组织

2.4.1.1 光学显微镜分析

2.4.1.2 扫描电镜分析

2.4.1.3 透射电子显微镜分析

2.4.1.4 X-射线衍射分析

2.4.2 差示扫描量热分析

2.4.3 维氏显微硬度测量

2.5 技术路线

第三章 冷却速率对Sn-3.5Ag合金凝固过程及组织形成的影响

3.1 引言

3.2 不同冷却速率的获得

3.3 宽冷却速率范围Sn-3.5Ag合金的组织形成规律

3.3.1 近平衡凝固显微组织

3.3.2 非平衡凝固显微组织

3.3.3 非平衡凝固组织中的β-Sn枝晶形貌

3.3.4 亚稳共晶反应机理

3.3.5 快冷组织中纳米金属间化合物Ag_Sn相的析出

3.3.6 快冷组织中纳米金属间化合物Ag_Sn相的形成机理分析

3.4 Sn-3.5Ag合金显微硬度与凝固速率的内在联系

3.4.1 相组成对维氏硬度的影响

3.4.2 纳米金属间化合物Ag_Sn相的弥散强化

3.5 本章小结

第四章 Sn-Ag合金凝固过程块状金属间化合物Ag_3Sn的析出

4.1 引言

4.2 Sn-Ag合金差示扫描量热分析温度控制程序

4.3 Sn-Ag合金凝固过程块状金属间化合物Ag_3Sn的形成规律

4.3.1 块状金属间化合物Ag_3Sn的形成条件

4.3.2 合金缓冷凝固过程的热信号提取

4.4 Sn-Ag合金中块状金属间化合物Ag_3Sn体积分数的确定

4.4.1 定量金相分析

4.4.2 差示扫描量热分析

4.4.3 由成分确定的块状金属间化合物Ag_3Sn体积分数

4.5 缓冷凝固过共晶Sn-Ag合金中块状金属间化合物Ag_3Sn的生长

4.5.1 块状金属间化合物Ag_3Sn成分决定的局限性

4.5.2 共晶相的竞争生长

4.5.3 过共晶Sn-Ag合金中块状金属间化合物Ag_3Sn的生长规律

4.6 本章小结

第五章 高温时效过程Sn-3.5Ag合金的组织稳定性分析

5.1 引言

5.2 缓冷凝固Sn-3.5Ag合金高温时效过程的组织演化

5.3 水冷Sn-3.5Ag合金高温时效过程的组织演化

5.4 水冷Sn-3.5Ag合金中金属间化合物Ag_Sn长大驱动力的确定

5.5 块状金属间化合物Ag_3Sn的生长过程

5.6 水冷Sn-3.5Ag合金的热稳定性分析

5.7 本章小结

第六章 第三组元添加对Sn-3.5Ag合金中相析出的影响

6.1 引言

6.2 第三组元的选择标准

6.3 缓冷凝固三元Sn-3.5Ag-X合金的凝固组织特征

6.4 第三组元对Sn-3.5Ag合金凝固过冷度的影响

6.5 Sn-3.5Ag-X合金中块状金属间化合物Ag_Sn的析出规律

6.5.1 名义热容曲线

6.5.2 Sn-3.5Ag-X合金凝固过程分析

6.5.2.1 Sn-3.5Ag-0.75Cu

6.5.2.2 Sn-3.5Ag-1.5111

6.5.2.3 Sn-3.5Ag-2.0Zn

6.6 本章小结

第七章 异相纳米ZrO_2微粒复合对Sn-3.5Ag合金组织的影响

7.1 引言

7.2 纳米ZrO_2微粒增强Sn-3.5Ag合金的复合

7.3 纳米ZrO_2微粒对Sn-3.5Ag合金中相形成的影响及其作用

7.3.1 显微组织分析

7.3.2 相组成与显微硬度的内在联系

7.4 异相粒子润湿性的判据

7.5 复合焊料中异相纳米粒子的细化机理

7.6 本章小结

第八章 全文结论

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况

发表学术论文

申请专利

参加科研情况

致谢

发布时间: 2007-07-10

参考文献

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