Sn-9Zn无铅电子焊料及其合金化改性研究

论文摘要

由于环境保护法规和微电子高集成化发展的要求，新型无铅电子焊料的研究和开发成为电子和材料界近年的热点之一。当前作为传统电子焊料替代品被推出应用的主流无铅焊料是共晶或近共晶的Sn-Ag-Cu系合金。但共晶Sn-Zn系合金Sn-9Zn因其低廉的成本、较低的熔点和良好的力学性能等明显优点而受到许多研究者的关注，被日本有关机构定为下一代主流的无铅焊料发展目标。但该合金对铜等互连材料的润湿性较差，成为它应用和发展的主要障碍和各国研究攻关的焦点。 在总结评述现有对Sn-9Zn合金的合金化改性研究、分析改性机制的基础上，我们提出了一种新的以非金属组元P和S对Sn-9Zn进行合金化以改善其润湿性的思路，并进行了实验实施，包括相应合金和多种参考合金的熔炼、对铜的润湿铺展实验和对铜的润湿力测量。发现并确认P和S的添加分别都能够显著改善Sn-9Zn熔体对铜表面的润湿性；熔炼中添加量为0.5wt.％时（实际分析成份为0.156wt.％P与0.243wt.％S）改善效果接近最佳，超过现有文献报道的其它各种可行的合金化方案的效果（添加3wt.％Bi的合金润湿性更好，但由于它引入较大的界面脆性而被认为不可行）。实验还显示，S与Bi、Cu联合添加时，它们对润湿性改善效果能在一定程度上相互迭加，而与P联合添加时其改善效果则不能迭加。这表明S、Bi、Cu改善润湿性的作用机制可能相互不同，而与P、S的作用机制可能相同。通过二次离子质谱分析，我们证实P对Sn-Zn熔体确有良好的脱氧作用；通过一系列温度下的粘度分析，我们发现Sn-9Zn熔体的流动性较差，明显低于润湿性良好的Sn-3.5Ag-0.7Cu合金，而P、S、Bi都有提高Sn-9Zn流动性的作用，其程度与它们改善Sn-9Zn熔体润湿性的程度定性一致。因此我们提出：Sn-9Zn合金润湿性较差的原因是其流动性差，而P、S、Bi主要通过提高其流动性改善其润湿性。 我们继而较系统地研究了Sn-9Zn合金及其与铜焊点组织、界面结构与力学

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 无铅电子焊料的发展背景
• 1.2 电子焊料的性能及微电子工业对无铅焊料的性能要求
• 1.2.1 工艺性能
• 1.2.2 可靠性
• 1.2.3 微电子工业对无铅焊料的性能要求
• 1.3 国内外研究与开发概况
• 1.3.1 国外研发概况
• 1.3.2 国内研发概况
• 1.3.3 当前主要研究对象
• 1.4 Sn-Zn系无铅焊料研究
• 1.4.1 Sn-Zn二元合金研究
• 1.4.2 Sn-Zn的合金化研究
• 1.4.3 适用于Sn-Zn焊料合金助焊剂的研究
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 磷和硫对Sn-9Zn润湿性的改性作用研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 合金制备
• 2.2.2 润湿性测量
• 2.2.3 合金表面SIMS分析
• 2.2.4 粘度测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 第三章 Sn-9Zn的组织、抗蠕变性能及磷和硫的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 材料与试样
• 3.2.2 弯折蠕变试验
• 3.2.3 显微组织分析
• 3.3 Sn-9Zn合金凝固组织与添加P、S的影响
• 3.3.1 冷却速率的影响
• 3.3.2 熔体过热度的影响
• 3.3.3 凝固后时效的影响
• 3.3.4 添加P和S的影响
• 3.4 Sn-9Zn合金抗蠕变性能与添加P、S的影响
• 3.5 小结
• 第四章 Sn-9Zn/Cu焊点界面结构、结合强度及磷和硫的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 Sn-9Zn/Cu界面结构
• 4.3.1 钎焊过程中形成的界面
• 4.3.2 焊点界面IMC层厚度在时效中的变化
• 4.3.3 磷和硫对Sn-9Zn/Cu焊点界面结构与结合强度的影响
• 4.4 小结
• 第五章 Sn-9Zn合金的物理化学性能及各种合金化的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 熔点测量
• 5.2.2 电导率和热导率测量
• 5.2.3 线膨胀系数测量
• 5.2.4 氧化性能测量
• 5.2.5 腐蚀性测量
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 焊料熔点
• 5.3.2 电导率和热导率
• 5.3.3 线膨胀系数
• 5.3.4 氧化性能
• 5.3.5 腐蚀性能
• 5.4 小结
• 总结
• 1 本文的研究结论
• 2 本文的创新之处
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表论文
• 致谢