无铅焊料Sn-Zn-xLa的制备及研究

论文摘要

由于铅和及其化合物对人类健康和环境造成危害,世界各国包括美国、日本、欧盟等都先后立法控制其在电子产品中应用,用于微电子封装互连焊料的无铅化研究和应用已成为必然趋势。目前开发的无铅焊料大都以Sn金属为基体,并添加无毒、无挥发性的金属元素,如Ag、Cu、Zn、Bi等制成,以取代传统焊料SnPb。大量研究证明,Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Zn系焊料的综合性能较好、应用前景广阔。考虑到Sn-Zn系不仅有较好的综合性能,而且成本较低,本文选取Sn-Zn系作为研究对象,添加了微量化学性能活泼的稀土金属La,采用粉末冶金工艺制备了Sn-Zn-xLa（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5）焊料;采用SEM、XRD、DTA等技术,对所制备焊料的微结构、熔融特性、与Cu基板的润湿性、焊接强度、焊接界面的金属间化合物（IMC）形貌及其在热老化过程中的行为进行了分析研究,并获得了有关La元素及其添加量对焊料性能的影响的初步结论。研究结果表明:采用粉末冶金工艺制备焊料,其工艺简便、成本低、制备过程能有效抑制金属氧化,是适合实验室制备焊料的良好工艺手段。添加La能使焊料的IMC颗粒细化,有效地改善焊料（Solder）/Cu润湿性能,但Solder/Cu焊点热老化过程中,未能抑制IMC的生长,对改善了焊点的可靠性没有贡献;La对焊料的熔融特性无明显影响,并使Solder/Cu焊接强度略有下降。根据综合性能评估,发现Sn-Zn-0.3La的焊料是Sn-Zn-xLa系列中最佳的一种,有一定的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 集成电路封装的作用及内容
• 1.2 集成电路封装技术的发展
• 1.3 封装技术的发展对焊料研究的影响
• 1.4 焊料的无铅化进程
• 1.4.1 Sn-Pb焊料的应用及优点
• 1.4.2 Sn-Pb焊料对人体及环境的危害
• 1.4.3 传统Sn-Pb焊料的局限性
• 1.4.4 无铅焊料的立法
• 1.4.5 无铅焊料的应用市场
• 1.4.6 开发新型无铅焊料所必须考虑的性质
• 1.5 各系新型无铅焊料及其优缺点
• 1.6 Sn-Zn系无铅焊料研究进展
• 1.6.1 Sn-Zn-Ag 焊料
• 1.6.2 Sn-Zn-Bi焊料
• 1.6.3 Sn-Zn-In 焊料
• 1.6.4 Sn-Zn-Al焊料
• 1.6.5 Sn-Zn-Cu焊料
• 1.7 稀土元素对无铅焊料的影响
• 第二章 焊料制备及检测
• 2.1 焊料合金的制备工艺
• 2.1.1 常压热熔炼
• 2.1.2 真空热熔炼
• 2.1.3 机械合金
• 2.1.4 焊料合金工艺的选择
• 2.1.5 粉末冶金
• 2.2 焊料检测
• 2.2.1 焊料成分与微结构
• 2.2.2 焊料熔融特性的DTA分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 焊料润湿性能研究
• 3.1 润湿机制
• 3.2 影响焊接润湿性能的因素
• 3.3 润湿性能测试方法
• 3.4 Sn-9Zn-xLa/Cu润湿性能研究
• 3.4.1 实验过程
• 3.4.2 试验结果
• 3.4.3 La对Sn-9Zn-xLa/Cu润湿性能改善的机理
• 3.5 本章小结
• 第四章 界面金属间化合物的形成与生长
• 4.1 IMC的形成
• 4.1.1 样品制备
• 4.1.2 界面IMC研究
• 4.2 热老化过程中IMC的生长规律
• 4.3 本章小结
• 第五章 焊料/铜基板焊接强度研究
• 5.1 Sn-9Zn-xLa/Cu焊接强度测量
• 5.1.1 样品制备
• 5.1.2 测试方法
• 5.1.3 测试结果
• 5.2 La影响Sn-9Zn-xLa/Cu焊接强度的机理
• 5.3 本章小结
• 第六章 论文结论
• 参考文献
• 致谢