钎焊界面结构形态及对其接头剪切行为的影响

论文摘要

随着电子产品向便携式、高可靠性及无铅环保方向发展,电子封装及其钎焊接头的可靠性也面临着前所未有的挑战。剪应力作用下的钎焊凸点力学性能问题已经成为电子器件电路失效的重要原因。其中,钎焊界面金属间化合物（IMC,通常是Cu6Sn5）的结构形态是钎焊接头质量的关键因素。焊点尺寸的减小和Sn基钎料的应用,在增加界面IMC层比例的同时,也凸显了钎料/IMC界面本征行为的不连续性。在实际服役过程中,界面IMC层的演变是复杂的,晶粒会发生粗化,钎料/IMC界面由钎焊状态下的波浪起伏变得更加平直,IMC层内及层间的缺陷数量也会相应增加。尤其是Cu6Sn5在服役过程中会发生晶体结构转变,转变前后的体积膨胀有可能在界面处形成应力从而恶化接头的力学可靠性。然而到目前为止,界面Cu6Sn5结构转变的基本规律还不清楚,界面形态和缺陷的研究还不够全面,界面IMC层在接头剪切变形和断裂过程中的作用机理尚不十分明确。因此,研究界面结构形态演变及对其接头剪切行为的影响,对高密度封装无铅互联技术的发展是非常有意义的。本文以Sn-0.7Cu/Cu接头为研究对象,通过添加少量的Ni来改变界面结构,分别研究Cn-Sn界面IMC晶体结构及形态（包括界面厚度、晶粒大小、界面粗糙度、界面缺陷）随时效时间和温度的演变规律；同时采用“三明治”结构钎焊接头,辅以剪切应变速率和温度的变化,探讨界面演变与剪切行为的相关性。主要结论如下：（1）利用XRD研究了Sn-0.7Cu/Cu界面Cu6Sn5的固态结构转变。结果表明：钎焊后空冷的接头经等温时效后,界面η’-Cu6Sn5的时间-温度-形成曲线呈“C”状,时效温度在135-150℃左右时η’相形成所需时间最少,约为3h。当钎焊时的冷却速率降低时,η’相的形成速度减慢。研究同时表明Ni的加入显著抑制了η’相的形成。（2）观察界面IMC的形貌发现,时效后的钎焊接头中界面Cu6Sn5三叉晶界处有圆形孔洞存在。孔洞数量在钎焊后空冷的Sn-0.7Cu/Cu中最多,在钎焊后炉冷及含Ni的接头中较少。主要原因是：钎焊时助焊剂等造成的气泡易吸附在界面IMC晶界处,从而在时效过程中抑制了Cu6Sn5生长；降低钎焊接头凝固的冷却速率时,气泡有充分的时间逸出：添加少量的Ni后,提高了界面Cu6Sn5晶粒的长径比并加快了其在钎焊过程中的生长,不利于气泡的吸附。（3）研究Cu-Sn界面化合物厚度、形貌、钎料/IMC界面粗糙度等形态演变发现,IMC厚度、晶粒直径随时效时间延长、时效温度升高、冷却速率降低而不断增加。添加少量的Ni以后,Cu3Sn生长受到显著抑制,钎焊及高温时效条件下的Cu6Sn5晶粒得以细化。（4）钎焊接头剪切强度及断裂机制的研究结果表明：在钎焊、低应变速率、高剪切实验温度条件下,因钎料/IMC界面力学性能失配,裂纹易在界面IMC附近的钎料基体中形成并扩展,发生韧性断裂,接头剪切强度由钎料基体控制；试样经时效后,界面IMC厚度和晶粒直径的增加降低了IMC自身的断裂韧性,接头倾向于沿界面IMC发生脆性断裂,剪切强度较相同条件下钎料基体强度降低。界面的影响机制为：界面IMC厚度和晶粒大小仅影响断裂类型；界面Cu6Sn5中的缺陷及高弹性模量的界面IMC都会促进脆断的发生；界面Cu6Sn5的固态结构转变和钎料/IMC界面粗糙度影响很小。（5）剪切测试参数对接头剪切行为的影响体现在：随着剪切实验温度由室温降低到-40℃,钎料与IMC之间的弹性模量差值减小,钎料/IMC界面力学失配得到改善,接头更倾向于表现为钎料基体的行为；随着应变速率的提高,钎料与IMC之间的弹性模量差值增加,界面失配严重,倾向于表现为界面IMC的脆断。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 电子封装技术
• 1.2 钎焊技术
• 1.2.1 钎焊连接的研究历程
• 1.2.2 无铅化的研究进展
• 1.3 钎焊界面的演变
• 1.3.1 Cu-Sn界面IMC的生长及形态
• 6Sn₅的固态结构转变'>1.3.2 Cu₆Sn₅的固态结构转变
• 1.3.3 钎焊缺陷
• 1.4 钎焊接头的力学可靠性
• 1.4.1 界面IMC的力学行为
• 1.4.2 钎焊接头的力学行为
• 1.4.3 界面对钎焊接头力学行为的影响
• 1.5 论文研究目的及研究内容
• 2 实验材料及方法
• 2.1 钎料合金的制备
• 2.2 钎焊接头的制备
• 2.3 界面IMC的形态及缺陷表征
• 6Sn₅的晶体结构测试'>2.4 界面Cu₆Sn₅的晶体结构测试
• 2.5 钎焊接头剪切实验
• 6Sn₅的固态结构转变'>3 界面Cu₆Sn₅的固态结构转变
• 6Sn₅的形态表征'>3.1 界面Cu₆Sn₅的形态表征
• 6Sn₅的形成'>3.2 界面η'-Cu₆Sn₅的形成
• 3.2.1 XRD扫描范围选取
• 6Sn₅的时间-温度-形成曲线'>3.2.2 界面η'-Cu₆Sn₅的时间-温度-形成曲线
• 6Sn₅晶体结构的可行性'>3.2.3 XRD测试界面Cu₆Sn₅晶体结构的可行性
• 6Sn₅固态结构转变的影响因素'>3.3 界面Cu₆Sn₅固态结构转变的影响因素
• 3.3.1 冷却速率的影响
• 3.3.2 合金元素Ni的影响
• 6Sn₅固态结构转变可能产生的影响'>3.4 界面Cu₆Sn₅固态结构转变可能产生的影响
• 3.4.1 转变对IMC形貌的影响
• 3.4.2 转变对界面应力的影响
• 3.5 本章小结
• 4 界面IMC形态及缺陷的演变行为
• 4.1 界面的横截面形态
• 4.1.1 钎焊条件下的横截面形态
• 4.1.2 时效条件下的横截面形态
• 4.2 界面IMC的形貌
• 4.2.1 钎焊条件下的形貌
• 4.2.2 时效条件下的形貌
• 6Sn₅中的缺陷'>4.3 界面Cu₆Sn₅中的缺陷
• 4.3.1 缺陷的成因分析
• 4.3.2 缺陷的演变模型
• 4.4 界面IMC形态演变的定量描述
• 4.4.1 IMC层描述
• 4.4.2 钎料/IMC界面粗糙度描述
• 4.5 本章小结
• 5 钎焊接头剪切行为研究
• 5.1 剪切性能
• 5.1.1 剪切应力应变曲线
• 5.1.2 剪切强度
• 5.2 钎料基体的影响
• 5.2.1 韧性断裂强度
• 5.2.2 韧性断裂强度与温度的关系
• 5.2.3 韧性断裂断口分析
• 5.3 界面IMC层的影响
• 5.3.1 脆性断裂强度
• 5.3.2 脆性断裂的影响因素
• 5.4 钎焊接头剪切变形及断裂机制
• 5.4.1 界面应力奇异
• 5.4.2 界面强度的评价
• 5.4.3 尺寸效应
• 5.4.4 钎焊接头剪切强度及断裂模型
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 本研究工作所取得的主要成果
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介