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Al元素对Sn-9Zn-2Cu无铅钎料组织及性能的影响研究

2020-12-09阅读(837)

Al元素对Sn-9Zn-2Cu无铅钎料组织及性能的影响研究

论文摘要

出于对环境保护法规和微电子高集成化发展的要求，开发新型无铅钎料成为电子材料界研究的热点之一。共晶Sn-Zn钎料具有与Sn-Pb最接近的熔点、良好的力学性能等优点逐渐成为无铅钎料最有利的替代品之一。但是液态Zn表面张力较大和易氧化导致其在Cu基板上润湿性较差，这是限制Sn-Zn焊料应用和发展的瓶颈。近年来，采用合金化的方法来改善Sn-Zn系焊料润湿性的研究已经取得了较大进展，但是存在的问题还没有得到根本解决。本文在总结大量关于Sn-Zn系焊料研究的基础上，以其最具应用前景的Sn-Zn-Cu三元合金为研究对象，探索添加微量的Al元素进行合金化，来提高Sn-Zn-Cu三元合金的抗氧化性，润湿性等性能。此外，本文还采用时效的方法研究了Sn-Zn-Cu三元合金与Cu基板间的焊点界面反应和界面金属间化合物的长大行为，并且探讨了Al元素对Sn-Zn-Cu三元合金焊点可靠性的影响。通过以上研究表明：当Al含量达到0.035%时润湿性最佳，润湿力达到2.1725mN，润湿时间为0.44s，铺展面积达到48.29mm2，铺展润湿角达到最小为58.76o，故Sn-9Zn-2Cu-0.035Al钎料的润湿性最好；同时，Al元素的加入提高了钎料的抗氧化性，当Al含量为0.01%时，可以稳定的提高钎料的抗氧化性。微量Al元素的加入升高了合金熔点约1～3℃，熔点均在203℃左右；缩短了合金熔程最大达4.5℃，当Al含量为0.035%时，熔程达到最小为4℃；当Al含量为0.035%时，可以减小针状富锌相尺寸，细化金相组织，且使其分散均匀化；微量的Al元素提高了合金硬度，当Al含量为0.035%时，钎料的硬度最大。此外，钎料Sn-Zn-Cu-xAl与Cu基板之间的焊点在120℃时效过程中界面金属间化合物（IMC）厚度随时效时间的延长而增加。Al元素的加入可以减小金属间化合物层的厚度，抑制化合物层过度增长，这对提高焊点的可靠性是非常有利的。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 电子封装技术的研究现状
  • 1.2 Sn-Pb 焊料的发展现状及存在的问题
  • 1.2.1 Sn-Pb 焊料的发展现状
  • 1.2.2 Sn-Pb 焊料存在的问题
  • 1.3 无铅钎料的发展现状、性能要求及存在的问题
  • 1.3.1 无铅钎料的发展现状
  • 1.3.2 无铅钎料的性能要求
  • 1.3.3 无铅钎料存在的问题
  • 1.4 Sn-Zn 系无铅钎料研究现状及存在的问题
  • 1.4.1 Sn-Zn 系无铅钎料研究现状
  • 1.4.2 Sn-Zn 系无铅钎料存在的问题
  • 1.5 Sn-Zn 系无铅钎料的合金化研究
  • 1.5.1 Sn-Zn-Bi 三元合金
  • 1.5.2 Sn-Zn-Ag 三元合金
  • 1.5.3 Sn-Zn-In 三元合金
  • 1.5.4 Sn-Zn-Re（La、Ce）三元合金
  • 1.5.5 Sn-Zn-P 三元合金
  • 1.5.6 Sn-Zn-Ga 三元合金
  • 1.5.7 Sn-Zn-Cu 三元合金
  • 1.5.8 Sn-Zn-Al 三元合金
  • 1.5.9 Sn-Zn 系多元合金
  • 1.6 论文选题及研究内容
  • 1.6.1 论文选题的目的
  • 1.6.2 论文的研究内容
  • 第二章 SN-ZN-CU-AL 合金制备及实验方法
  • 2.1 实验材料
  • 2.1.1 钎料成分设计
  • 2.1.2 钎料合金制备
  • 2.2 实验方法
  • 2.2.1 熔点测定实验
  • 2.2.2 抗氧化性实验
  • 2.2.3 润湿性实验
  • 2.2.4 钎料微观组织观察
  • 2.2.5 钎料硬度实验
  • 2.2.6 钎料钎焊实验
  • 2.2.7 钎料焊点时效实验
  • 2.2.8 焊点微观组织观察
  • 第三章 SN-ZN-CU-AL 无铅焊料的润湿性和抗氧化性研究
  • 3.1 Al 元素对钎料熔点的影响
  • 3.2 Al 元素对钎料抗氧化性的影响
  • 3.3 Al 元素对钎料润湿性的影响
  • 3.3.1 润湿力及润湿时间
  • 3.3.2 铺展试验
  • 3.3.3 润湿角测定
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 SN-ZN-CU-AL 无铅钎料的组织及力学性能研究
  • 4.1 合金元素对钎料微观组织的影响
  • 4.1.1 200 倍金相显微组织
  • 4.1.2 500 倍金相显微组织
  • 4.2 扫描电镜及能谱分析
  • 4.3 合金元素对钎料硬度的影响
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 SN-ZN-CU-AL 无铅钎料的焊点界面反应与可靠性研究
  • 5.1 无铅焊料焊点铺展形貌
  • 5.1.1 焊料铺展宏观形貌
  • 5.1.2 料铺展微观形貌
  • 5.2 Sn-Zn-Cu-Al/Cu 焊点界面反应
  • 5.2.1 未时效焊点界面微观组织
  • 5.2.2 时效 1 天焊点界面微观组织
  • 5.2.3 时效 3 天焊点界面微观组织
  • 5.2.4 时效 7 天焊点界面微观组织
  • 5.3 本章小结
  • 全文结论
  • 研究展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果

    • 相关论文文献

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