Sb对Sn-0.7Cu无铅钎料性能影响的研究

论文摘要

由于铅对环境和人体的危害,各国已相继通过立法禁止含铅产品的使用。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。本文通过在Sn-0.7Cu钎料中加入Sb元素,研究了Sb元素对钎料组织、熔化特征、剪切强度、润湿性能的影响,并分析了Sb元素对钎料/Cu钎焊界面的影响及时效过程中界面化合物形貌、成分的变化。研究结果表明,Sn-0.7Cu-XSb合金中未出现低熔点共晶峰,表明Sb元素的加入并不会使钎料产生低熔点共晶相,有利于在钎焊过程中形成可靠的连接焊点。加入Sb元素后钎料的熔点略有升高,但升高的幅度并不大。添加Sb元素后,钎料中的Cu6Sn5相得到了一定程度的细化,并由长条状变为粒状,这有利于提高钎料的力学性能。加入Sb元素后钎料的润湿性能略有下降,但当Sb含量小于0.75wt%时,随着Sb含量的增加润湿性能逐渐提高;当Sb含量超过0.75wt%是润湿性能又有所下降。Sb的加入能够提高钎料钎焊接头的剪切强度,随Sb含量的增加剪切强度逐渐提高,Sb含量为1.0wt%时剪切强度达到最大,最大值为29.14MPa。研究了Sb元素对钎料/Cu钎焊界面的影响,加入Sb元素后钎料的IMC厚度小于Sn-0.7Cu钎料的IMC厚度。当Sb的含量为0.5wt%时,IMC的形貌发生了很大变化,扇贝状IMC层变得均匀平滑,避免了大柱状Cu6Sn5相的生成,厚度最小;明显抑制了IMC的生长。Sb的加入并没有改变金属间化合物的种类。经150℃下时效100h后,界面上在Cu6Sn5相和Cu板之间出现了Cu3Sn相,并在界面上生成了少量的柯氏孔洞。时效500h后Cu3Sn相变得更加明显,且在界面上出现了大量的柯氏孔洞,在界面的某些地方由于空洞的互连产生了微裂纹,这可能会对焊点的可靠性产生很大影响。随着时效时间的增加IMC层变得更厚,但无论是时效100h还是时效500h,含Sb钎料的IMC厚度始终小于Sn-0.7Cu钎料的IMC厚度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 封装的概念及钎料在封装中的应用
• 1.1.1 微电子封装的概念
• 1.1.2 钎料在微电子封装中的应用
• 1.2 传统Sn-Pb 钎料
• 1.2.1 Sn-Pb 钎料的优点
• 1.2.2 Sn-Pb 钎料的缺点
• 1.3 无铅的立法及无铅钎料的要求
• 1.3.1 无铅的立法
• 1.3.2 无铅钎料的要求
• 1.4 无铅钎料的研究现状
• 1.4.1 Sn-Zn 系无铅钎料
• 1.4.2 Sn-Ag 系无铅钎料
• 1.4.3 Sn-Bi 系无铅钎料
• 1.5 Sn-Cu 系无铅钎料的发展现状
• 1.5.1 Sn-Cu 系钎料的研究现状
• 1.5.2 Sn-Cu 系钎料的专利状况
• 1.5.3 Sn-Cu 系钎料的改进方向
• 1.6 本课题研究内容及目的
• 1.6.1 本课题的目的
• 1.6.2 本课题的研究内容
• 1.6.3 本课题试验方案
• 第2章 Sn-Cu-XSb 钎料熔化特性与微观组织
• 2.1 引言
• 2.2 合金的设计及熔炼
• 2.2.1 合金成分设计
• 2.2.2 钎料合金的熔炼方法
• 2.2.3 钎料的熔炼工艺
• 2.2.4 钎料的熔炼过程
• 2.3 钎料的熔化特性
• 2.3.1 钎料熔点的测定
• 2.3.2 微量Sb 对钎料熔点的影响
• 2.4 钎料的组织形貌
• 2.4.1 钎料试样的制备
• 2.4.2 钎料的微观组织形貌
• 2.4.3 Sn-Cu-XSb 钎料中元素间的相互作用
• 2.5 本章小结
• 第3章 Sn-Cu-XSb 钎料润湿与接头剪切性能
• 3.1 引言
• 3.2 钎焊工艺制定
• 3.2.1 钎焊原理及特点
• 3.2.2 钎焊工艺制定
• 3.3 钎料的润湿性能
• 3.3.1 钎料润湿性评定标准
• 3.3.2 润湿性的测量方法
• 3.3.3 润湿性能试验
• 3.3.4 试验用钎剂
• 3.3.5 润湿性试验及结果分析
• 3.4 钎焊接头剪切性能
• 3.4.1 钎料力学性能试验
• 3.4.2 剪切强度计算
• 3.4.3 剪切断口显微组织
• 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 钎焊界面形貌与成分分析
• 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 孔洞的形成
• 4.4 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