Ag、Ce对SnBiCu焊料基体及界面组织结构与性能的影响
发布时间：2020-12-26 04:19
国际无铅化的实施,电子焊料已大部分从有铅转向无铅,无铅焊料中Sn30Ag0.5Cu（SAC3005）焊料合金具有良好的可焊性和抗热疲劳性使其成为替代SnPb37共晶合金的候选者之一,但是其熔点比SnPb共晶高出很多,而且高银带来的高成本限制了其广泛应用。因此本文从焊料合金性能、成本和对环境、人体健康的影响三个方面考虑,对发展潜力较大的SnBiCu焊料合金进行研究。本文通过熔炼法制备了SnBi（10-25%）Cu（0.3-0.7%）焊料合金及焊料/Cu基板焊点,并在此最佳配方的基础上添加微量Ag、Ce元素改善焊料性能。采用Thermo-Calc软件、XRD、扫描电镜、金相显微镜分析焊料的相析出、组织结构及界面金属间化合物形貌和厚度,采用DSC、润湿天平、万能材料试验机分析焊料的各项性能。分别研究了Bi、Cu元素对SnBiCu基础合金以及微量元素Ag和Ce对Sn20Bi0.7Cu焊料合金的性能、组织结构与界面结构的影响,着重分析了焊料组织结构与宏观性能的内在关系。通过研究分析期望得到能取代SnPb共晶的SnBiCuAgCe焊料合金配方。研究结果表明:1、Bi元素能够有效降低焊料的熔点,但同...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cu和Sn的扩散和Cu6Sn5溶解的示意图
昆明理工大学硕士学位论文10根据Pang.X.Y等人的研究结果[54]，认为Cu3Sn/Cu界面的Bi偏析加速了Sn58Bi/Cu共晶互连中Cu6Sn5的生长速率。在Cu/Cu3Sn界面存在Bi会导致更多的原子(包括Cu和Sn原子)被激活。因此，当足够的Bi粒子在界面分离时，界面上的界面反应会加速。图1.3IMC生长过程示意图[52]Fig.1.3ThegrowthprocessofIMC1.5.2Ag元素对Sn/Cu界面的影响Paul等[55]研究表明对于SnBiCu-xAg复合焊料，Ag3Sn微粒子的存在不仅会加速Cu6Sn5层的生长，也会减缓了其生长。Ag3Sn微粒子的表面吸附导致富二价晶粒细化，从而削弱了富二价晶粒的偏析，加速了Cu6Sn5层的生长。Hu.F.Q等[56]研究了熔融Sne58Bi焊料和Cu基板之间界面反应动力学，发现时效温度在140至160℃，Cu6Sn5、Cu3Sn化合物层生长速度增长较快。此外，他们还发现添加1-2wt%Cr、Cu、Si、Zn和Ag为Sn58Bi焊料与基板产生一个阻挡层，减缓IMC生长，并发现添加1wt%Zn导致Cu5Zn8层界面的形成。然而，由于Zn逐渐向熔融焊料表面迁移形成ZnO，所以添加Zn的效果有限。在SnBi焊料中加入1wt%Ag，可轻微降低Cu层的消耗速率。1.5.3稀土元素对Sn/Cu界面的影响前人的研究表明[57]，在热时效过程中，由于延性差、晶粒粗化等原因，使SnBi焊料
昆明理工大学硕士学位论文13第二章实验过程从焊料合金的成本、性能及对环境的影响三个方面考虑，根据SnPb共晶焊料的熔点183℃，利用Thermo-Calc相图计算软件，大致确定SnBiCu焊料合金的成分范围，最终Bi的范围设定在10-25%，Cu的范围设定在0.3-0.7%。对这些成分的合金进行性能测试，即熔化特性、力学性能、润湿性、焊点的铺展面积，铺展率，润湿角及表面张力、焊料合金金相组织及老化后的组织变化，经过时效后焊点界面金属间化合物组成、金属间化合物生长情况，界面扩散动力学及形貌变化的研究。综合分析相组织变化及对应的性能变化的关系，搞清楚Bi元素以及Cu元素对焊料宏观性能及焊点界面金属间化合物的影响，确定最佳的SnBiCu成分。在此基础上添加微量Ag元素，Ag元素的添加范围为0.1-1.5%，同样对焊料合金进行以上分析研究，确定Ag元素对焊料宏观性能及焊点界面金属间化合物的影响，确定最佳的SnBiCuAg成分。根据SnBiCuAg焊料合金存在的不足，添加微量稀土Ce元素，确定Ce元素的成分范围在0.1-2.0%，同样同样对焊料合金进行以上分析研究，确定Ce元素对焊料宏观性能及焊点界面金属间化合物的影响，确定最佳的SnBiCuAgCe成分。2.1合金成分设计图2.1为SnBiCu三元相图，图2.2为SnBiCu三元相图局部放大图。图2.1SnBiCu三元相图Fig.2.1SnBiCuternaryphasediagram图2.2SnBiCu三元相图局部放大图Fig.2.2LocalenlargementofSnBiCuternaryphasediagramABCD
本文编号：2939023
【文章来源】：昆明理工大学云南省
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cu和Sn的扩散和Cu6Sn5溶解的示意图
昆明理工大学硕士学位论文10根据Pang.X.Y等人的研究结果[54]，认为Cu3Sn/Cu界面的Bi偏析加速了Sn58Bi/Cu共晶互连中Cu6Sn5的生长速率。在Cu/Cu3Sn界面存在Bi会导致更多的原子(包括Cu和Sn原子)被激活。因此，当足够的Bi粒子在界面分离时，界面上的界面反应会加速。图1.3IMC生长过程示意图[52]Fig.1.3ThegrowthprocessofIMC1.5.2Ag元素对Sn/Cu界面的影响Paul等[55]研究表明对于SnBiCu-xAg复合焊料，Ag3Sn微粒子的存在不仅会加速Cu6Sn5层的生长，也会减缓了其生长。Ag3Sn微粒子的表面吸附导致富二价晶粒细化，从而削弱了富二价晶粒的偏析，加速了Cu6Sn5层的生长。Hu.F.Q等[56]研究了熔融Sne58Bi焊料和Cu基板之间界面反应动力学，发现时效温度在140至160℃，Cu6Sn5、Cu3Sn化合物层生长速度增长较快。此外，他们还发现添加1-2wt%Cr、Cu、Si、Zn和Ag为Sn58Bi焊料与基板产生一个阻挡层，减缓IMC生长，并发现添加1wt%Zn导致Cu5Zn8层界面的形成。然而，由于Zn逐渐向熔融焊料表面迁移形成ZnO，所以添加Zn的效果有限。在SnBi焊料中加入1wt%Ag，可轻微降低Cu层的消耗速率。1.5.3稀土元素对Sn/Cu界面的影响前人的研究表明[57]，在热时效过程中，由于延性差、晶粒粗化等原因，使SnBi焊料
昆明理工大学硕士学位论文13第二章实验过程从焊料合金的成本、性能及对环境的影响三个方面考虑，根据SnPb共晶焊料的熔点183℃，利用Thermo-Calc相图计算软件，大致确定SnBiCu焊料合金的成分范围，最终Bi的范围设定在10-25%，Cu的范围设定在0.3-0.7%。对这些成分的合金进行性能测试，即熔化特性、力学性能、润湿性、焊点的铺展面积，铺展率，润湿角及表面张力、焊料合金金相组织及老化后的组织变化，经过时效后焊点界面金属间化合物组成、金属间化合物生长情况，界面扩散动力学及形貌变化的研究。综合分析相组织变化及对应的性能变化的关系，搞清楚Bi元素以及Cu元素对焊料宏观性能及焊点界面金属间化合物的影响，确定最佳的SnBiCu成分。在此基础上添加微量Ag元素，Ag元素的添加范围为0.1-1.5%，同样对焊料合金进行以上分析研究，确定Ag元素对焊料宏观性能及焊点界面金属间化合物的影响，确定最佳的SnBiCuAg成分。根据SnBiCuAg焊料合金存在的不足，添加微量稀土Ce元素，确定Ce元素的成分范围在0.1-2.0%，同样同样对焊料合金进行以上分析研究，确定Ce元素对焊料宏观性能及焊点界面金属间化合物的影响，确定最佳的SnBiCuAgCe成分。2.1合金成分设计图2.1为SnBiCu三元相图，图2.2为SnBiCu三元相图局部放大图。图2.1SnBiCu三元相图Fig.2.1SnBiCuternaryphasediagram图2.2SnBiCu三元相图局部放大图Fig.2.2LocalenlargementofSnBiCuternaryphasediagramABCD
本文编号：2939023
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