Sn-58Bi复合钎料的制备及性能研究

论文摘要

随着人类环保意识的增加、相关法律的出台以及在市场需求的推动作用下,电子封装的无铅化成为目前研究的热点。Sn-Bi钎料作为最有可能代替Sn-Pb的四种无铅钎料之一,熔点低、润湿性好,但是由于其脆性大因此限制了其在无铅钎料行业中的应用。本文研究讨论了硼酸铝晶须、La2O3、Cu元素对Sn-58Bi无铅钎料的熔点、组织的影响,探讨了多次重熔和时效过程中复合钎料的组织演变、界面IMC厚度生长规律,并对多次重熔过程中IMCs晶粒形貌变化进行了分析,然后通过纳米压痕技术测试复合钎料的硬度变化,最后通过BGA焊点剪切测试评价复合钎料BGA焊点的可靠性。研究结果表明:少量增强体的加入对钎料的熔点影响很小。硼酸铝晶须的添加可以细化钎料组织,抑制粗大富Sn相的生成;多次重熔过程中,硼酸铝晶须增强Sn-58Bi复合钎料中生成空心多边形、空心长条形和六边形空心棱柱的Cu6Sn5金属间化合物,分布在晶界抑制晶界迁移晶粒长大;此外,硼酸铝晶须的加入还可以抑制时效过程中组织粗化。La2O3能够抑制大块富Bi相的偏析生成,使组织均匀,且能抑制多次重熔后界面IMC晶粒粒径的粗化,添加0.1% La2O3的抑制效果优于硼酸铝晶须。微米Cu和纳米Cu的加入均可以使钎料获得均匀细小的精炼结构,同时抑制钎料合金随时效进行的粗化,且纳米Cu细化效果更优;1%的纳米Cu和微米Cu也可以在一定程度上抑制IMC晶粒粗化。三种复合钎料中,硼酸铝晶须对Sn-58Bi性能影响最大。纳米压痕测试结果证明适量的硼酸铝晶须可以提高钎料的硬度,而BGA焊点剪切测试结果表明:与Sn-58Bi/Cu焊点相比,添加1.2%的硼酸铝晶须后的复合钎料BGA焊点能够承受更大的剪切力,且在多次重熔过程中承受的剪切力比较稳定;同时,硼酸铝晶须的加入还可以提升高温时效后焊点的剪切强度。对断面显微组织进行观察表明,硼酸铝晶须可以负荷传递、裂纹桥联、裂纹偏转、界面解离以及拔出效应提高焊点的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的
• 1.2 无铅复合钎料的发展现状
• 1.2.1 复合方法
• 1.2.2 早期Sn-Pb 基复合钎料的发展
• 1.2.3 无铅复合钎料的研究进展
• 1.2.4 新型无铅钎料
• 1.2.5 复合钎料的可靠性
• 1.3 Sn-Bi 钎料的研究进展
• 1.3.1 合金元素对界面反应和组织结构的影响
• 1.3.2 Sn-Bi 钎料的钎焊可靠性
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 试验材料及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备和方法
• 2.2.1 复合焊膏的制备
• 2.2.2 重熔时效试验
• 2.2.3 焊点剪切测试
• 2.2.4 纳米压痕测试
• 2.2.5 DSC 测试
• 2.2.6 显微组织分析
• 第3章 不同增强体对钎料微观组织的影响
• 3.1 引言
• 3.2 增强体的选择
• 3.3 增强体对Sn-58Bi 钎料微观组织的影响
• 3.3.1 硼酸铝晶须对钎料微观组织的影响
• 2O₃ 对钎料微观组织的影响'>3.3.2 La₂O₃对钎料微观组织的影响
• 3.3.3 Cu 元素对钎料微观组织的影响
• 3.4 重熔过程中复合钎料微观组织演变
• 3.4.1 多次重熔后硼酸铝晶须复合钎料钎料组织演变
• 2O₃ 复合钎料钎料组织演变'>3.4.2 多次重熔后La₂O₃复合钎料钎料组织演变
• 3.5 高温时效过程中复合钎料微观组织演变
• 3.6 本章小结
• 第4章 重熔时效过程中IMCS 演变
• 4.1 引言
• 4.2 重熔条件下IMC 生长规律
• 4.3 重熔过程中IMCs 晶粒的形貌分析
• 4.4 时效过程中IMCs 的生长规律
• 4.5 本章小结
• 第5章 复合钎料钎焊性及力学性能评价
• 5.1 复合钎料熔点分析
• 5.2 复合钎料硬度
• 5.3 复合钎料BGA 焊点剪切性能评价
• 5.4 复合钎料BGA 焊点剪切断裂模式分析
• 5.4.1 重熔焊点断裂模式分析
• 5.4.2 时效焊点断裂模式分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢