Ni（P）-Cu纳米复合镀层对无铅焊点界面结构及剪切性能的研究
发布时间：2020-12-29 15:22
在电子封装领域中,焊点的可靠性是决定元器件服役时间长短的重要因素,通常使用焊点界面IMC的结构以及焊点的抗剪强度来衡量焊点的可靠性。传统的Sn基钎料与Cu基板往往会快速反应形成过厚的脆性IMC层,降低焊点的可靠性。目前采用在钎料与基板之间插入一层Ni（P）镀层抑制界面IMC的生长。然而Ni（P）镀层中的P会使得界面反应变得复杂,在焊点时效过程中的Ni（P）镀层会形成脆性的Ni3P层和Ni2SnP层,当这两层化合物形成后将造成焊点界面脆化和界面IMC层剥落,降低焊点可靠性。本实验中尝试在Ni（P）镀层中添加纳米Cu颗粒形成Ni（P）-Cu纳米复合镀层,将这种纳米复合镀层与Sn58Bi无铅钎料进行钎焊及恒温固态时效,探究这种纳米复合镀层对焊点界面IMC生长情况以及焊点拉伸剪切强度的影响。为了得出在与Sn58Bi钎料进行钎焊反应时厚度最为恰当的Ni（P）镀层厚度,通过控制施镀时间,得到镀有不同厚度Ni（P）镀层的Cu基板,并与Sn58Bi钎料进行钎焊及时效。结果发现在基板表面粗糙度与润湿性正相关,均与镀层厚度呈现类似于二次函数关系,当镀层厚度为0.5μm时基板表面粗糙度最低,钎料在基板表面的...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１?Ｓｎ－Ｂｉ二元合金相图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｎ－Ｂｉ?ｂｉｎａｒｙ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ??
?第二章实验材料、研究方法及实验过程???貌，只需使用无水乙醇漂洗后吹干，不进行其它处理。下板（即尺寸为５０ｘ１０ｘ２??ｍｍ３的Ｃｕ板）将用于观察焊点断口界面结构，使用电火花线切割机床切割焊接??部分，并进行镶嵌、抛光、浅腐蚀，具体过程如上所述。??■、：ｊ??（ａ）???＾?４?、：??／?．＾５ｘ５ｘ２?ｍｍ２?■??／摩…制?＾??５〇ｘｌ〇ｘ２?＼／??图２?（ａ）：拉伸试验焊点结构；（ｂ）：拉伸试验剪切夹具??Ｆｉｇ．２?（ａ）：?Ｔｅｎｓｉｌｅ?ｔｅｓｔ?ｓｏｌｄｅｒ?ｊｏｉｎｔ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；?（ｂ）：?Ｔｅｎｓｉｌｅ?ｔｅｓｔ?ｓｈｅａｒ?ｆｉｘｔｕｒｅ．??２．３试验分析设备??（１）镀层的分析??本实验中使用原子力显微镜（ＡＦＭ）测定镀层表面粗糙度，使用Ｘ射线衍??射仪（ＸＲＤ）测定镀层晶体结构及晶体取向，同时使用Ｘ射线光电子能谱仪（ＸＰＳ）??测定镀层表面是否存在杂质。??使用电子扫描显微镜（ＳＥＭ）观察镀层表面形貌，使用配套的能谱仪（ＥＤＳ）??测定镀层中各元素含量。??（２）焊点的分析??使用ＳＥＭ观察焊点界面结构及微观形貌，并使用配套的ＥＤＳ测定ＩＭＣ组??成并确定是何种相。??２．４焊点ＩＭＣ厚度的计算??由于焊点界面ＴＭＣ的厚度会影响焊点的可靠性，因此需要记录各个焊点??ＩＭＣ的厚度，以总结ＩＭＣ在时效过程中的增长规律。本实验中，由于在焊接期??间界面反应剧烈，界面ＩＭＣ的平整度较差，为减小实验误差，采用计算ＩＭＣ等??效厚度的方式测定ＩＭＣ厚度。具体方法为使用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ软件调整电镜照片使??ＩＭＣ层清晰，记录ＩＭＣ层像素点并使用如下公式计
基板与无铅钎料之间插入一层Ｎ！（Ｐ）镀层作为扩散阻隔层，??而Ｎｉ（Ｐ）镀层的厚度会对焊点界面结构及微观形貌产生明显的影响。本章通过控??制施镀时间获得具有不同厚度的Ｎｉ（Ｐ）的奸焊基板，与Ｓｎ５８Ｂｉ钎料在１８０°Ｃ钎焊??后并在１１５°Ｃ条件下恒温时效至２４０ｈ，通过观察焊点界面结构及微观形貌，总??结不同厚度的Ｎｉ（Ｐ）镀层对焊点时效过程中界面ＩＭＣ演化规律的影响，确定在与??Ｓｎ５８Ｂｉ钎料钎焊时最适宜的Ｎｉ（Ｐ）镀层厚度。??３．１不同厚度Ｎｉ（Ｐ）镀层表面润湿性分析??图３．１（ａ－ｄ）展示了当Ｎｉ（Ｐ）镀层厚度不同时，Ｓｎ５８Ｂｉ钎料在基板表面的润湿??情况。可以明显发现Ｓｎ５８ＢＭｆ料在纯Ｃｕ基板上润湿面积较大，润湿性能良好，??熔融焊料均匀的铺展在基板表面，当Ｎｉ（Ｐ）镀层厚度增加至时，Ｓｎ５８Ｂｉ??钎料在基板表面的润湿面积基本不变。而随着镀层厚度增长至〇＿５?ｐｍ时，熔融??焊料在基板上聚缩为球状，润湿面积明显减小，这说明Ｓｎ５８ＢＭｆ料在此基板上??润湿性能较差。镀层的厚度继续增加至１．５?｜ｉｍ时，焊料在基板表面的润湿面积??反而增加，润湿性能得到提升。??．?．．．?．…?；：．一厂一??（ａ）?（ｂ）?（。）?（ｄ）??圓隱??ＫＥｉｒｆｉｉｎ??图３＿１?Ｓｎ５８Ｂｉ焊料在不同厚度的Ｎｉ（Ｐ）镀层表面润湿图片：（ａ）?０阿，（ｂ）?０．１?ｐｍ，?（ｃ）?０．５評，（ｄ）??１．５?｜ｉｍ．??Ｆｉｇ．?３．１?Ｗｅｌｔｉｎｇ?ｐｉｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?Ｓｎ５８Ｂｉ?ｓｏｌｄｅｒ?ｏｎ?ｔｈｅ?Ｎｉ（Ｐ）?ｐｌａｔｉｎｇ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｈｉｃ
【参考文献】：
期刊论文
[1]基板稀土微合金化对Sn3Ag0.5Cu/Cu钎焊界面反应的影响[J]. 徐涛,胡小武,江雄心. 电子元件与材料. 2016(02)
[2]化学镀镍施镀过程稳定性分析[J]. 陈月华,刘永永,江德凤,袁礼华. 表面技术. 2013(02)
[3]Cu6Sn5和Ni3Sn4结构性能的第一原理计算[J]. 王宏伟,孙实春,徐振清,张珑. 焊接学报. 2012(09)
[4]稀土元素对无铅钎料组织和性能的影响[J]. 张亮,韩继光,何成文,郭永环,薛松柏,皋利利,叶焕. 中国有色金属学报. 2012(06)
[5]添加Ag元素对铝软钎焊用Sn-1.5Zn系钎料性能的影响[J]. 刘亮岐,徐金华,陈胜,马鑫,张新平. 材料工程. 2010(10)
[6]铝合金表面Ni-Cu-P化学镀层的性能研究[J]. 张安柱,佟富强. 苏州大学学报(自然科学版). 2010(01)
[7]磷含量对Sn-2.5Ag-2.0Ni/Ni（P）钎焊接头组织及剪切强度的影响[J]. 吴茂,何新波,孟菲菲,曲选辉. 材料热处理学报. 2009(04)
[8]微电子封装无铅钎焊的可靠性研究[J]. 梁凯,姚高尚,简虎,熊腊森. 电焊机. 2006(05)
[9]微电子封装无铅钎焊的可靠性研究[J]. 梁凯,姚高尚,简虎,熊腊森. 电子质量. 2006(04)
[10]共晶SnBi/Cu焊点界面处Bi的偏析[J]. 刘春忠,张伟,隋曼龄,尚建库. 金属学报. 2005(08)
博士论文
[1]电子封装互连无铅钎料及其界面问题研究[D]. 于大全.大连理工大学 2004
硕士论文
[1]封装结构界面热断裂力学分析[D]. 国峰楠.哈尔滨工业大学 2010
[2]添加元素对Sn基无铅钎料工艺性能及接头区界面行为的影响[D]. 胡志田.合肥工业大学 2006
本文编号：2945864
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１?Ｓｎ－Ｂｉ二元合金相图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｎ－Ｂｉ?ｂｉｎａｒｙ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ??
?第二章实验材料、研究方法及实验过程???貌，只需使用无水乙醇漂洗后吹干，不进行其它处理。下板（即尺寸为５０ｘ１０ｘ２??ｍｍ３的Ｃｕ板）将用于观察焊点断口界面结构，使用电火花线切割机床切割焊接??部分，并进行镶嵌、抛光、浅腐蚀，具体过程如上所述。??■、：ｊ??（ａ）???＾?４?、：??／?．＾５ｘ５ｘ２?ｍｍ２?■??／摩…制?＾??５〇ｘｌ〇ｘ２?＼／??图２?（ａ）：拉伸试验焊点结构；（ｂ）：拉伸试验剪切夹具??Ｆｉｇ．２?（ａ）：?Ｔｅｎｓｉｌｅ?ｔｅｓｔ?ｓｏｌｄｅｒ?ｊｏｉｎｔ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；?（ｂ）：?Ｔｅｎｓｉｌｅ?ｔｅｓｔ?ｓｈｅａｒ?ｆｉｘｔｕｒｅ．??２．３试验分析设备??（１）镀层的分析??本实验中使用原子力显微镜（ＡＦＭ）测定镀层表面粗糙度，使用Ｘ射线衍??射仪（ＸＲＤ）测定镀层晶体结构及晶体取向，同时使用Ｘ射线光电子能谱仪（ＸＰＳ）??测定镀层表面是否存在杂质。??使用电子扫描显微镜（ＳＥＭ）观察镀层表面形貌，使用配套的能谱仪（ＥＤＳ）??测定镀层中各元素含量。??（２）焊点的分析??使用ＳＥＭ观察焊点界面结构及微观形貌，并使用配套的ＥＤＳ测定ＩＭＣ组??成并确定是何种相。??２．４焊点ＩＭＣ厚度的计算??由于焊点界面ＴＭＣ的厚度会影响焊点的可靠性，因此需要记录各个焊点??ＩＭＣ的厚度，以总结ＩＭＣ在时效过程中的增长规律。本实验中，由于在焊接期??间界面反应剧烈，界面ＩＭＣ的平整度较差，为减小实验误差，采用计算ＩＭＣ等??效厚度的方式测定ＩＭＣ厚度。具体方法为使用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ软件调整电镜照片使??ＩＭＣ层清晰，记录ＩＭＣ层像素点并使用如下公式计
基板与无铅钎料之间插入一层Ｎ！（Ｐ）镀层作为扩散阻隔层，??而Ｎｉ（Ｐ）镀层的厚度会对焊点界面结构及微观形貌产生明显的影响。本章通过控??制施镀时间获得具有不同厚度的Ｎｉ（Ｐ）的奸焊基板，与Ｓｎ５８Ｂｉ钎料在１８０°Ｃ钎焊??后并在１１５°Ｃ条件下恒温时效至２４０ｈ，通过观察焊点界面结构及微观形貌，总??结不同厚度的Ｎｉ（Ｐ）镀层对焊点时效过程中界面ＩＭＣ演化规律的影响，确定在与??Ｓｎ５８Ｂｉ钎料钎焊时最适宜的Ｎｉ（Ｐ）镀层厚度。??３．１不同厚度Ｎｉ（Ｐ）镀层表面润湿性分析??图３．１（ａ－ｄ）展示了当Ｎｉ（Ｐ）镀层厚度不同时，Ｓｎ５８Ｂｉ钎料在基板表面的润湿??情况。可以明显发现Ｓｎ５８ＢＭｆ料在纯Ｃｕ基板上润湿面积较大，润湿性能良好，??熔融焊料均匀的铺展在基板表面，当Ｎｉ（Ｐ）镀层厚度增加至时，Ｓｎ５８Ｂｉ??钎料在基板表面的润湿面积基本不变。而随着镀层厚度增长至〇＿５?ｐｍ时，熔融??焊料在基板上聚缩为球状，润湿面积明显减小，这说明Ｓｎ５８ＢＭｆ料在此基板上??润湿性能较差。镀层的厚度继续增加至１．５?｜ｉｍ时，焊料在基板表面的润湿面积??反而增加，润湿性能得到提升。??．?．．．?．…?；：．一厂一??（ａ）?（ｂ）?（。）?（ｄ）??圓隱??ＫＥｉｒｆｉｉｎ??图３＿１?Ｓｎ５８Ｂｉ焊料在不同厚度的Ｎｉ（Ｐ）镀层表面润湿图片：（ａ）?０阿，（ｂ）?０．１?ｐｍ，?（ｃ）?０．５評，（ｄ）??１．５?｜ｉｍ．??Ｆｉｇ．?３．１?Ｗｅｌｔｉｎｇ?ｐｉｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?Ｓｎ５８Ｂｉ?ｓｏｌｄｅｒ?ｏｎ?ｔｈｅ?Ｎｉ（Ｐ）?ｐｌａｔｉｎｇ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｈｉｃ
【参考文献】：
期刊论文
[1]基板稀土微合金化对Sn3Ag0.5Cu/Cu钎焊界面反应的影响[J]. 徐涛,胡小武,江雄心. 电子元件与材料. 2016(02)
[2]化学镀镍施镀过程稳定性分析[J]. 陈月华,刘永永,江德凤,袁礼华. 表面技术. 2013(02)
[3]Cu6Sn5和Ni3Sn4结构性能的第一原理计算[J]. 王宏伟,孙实春,徐振清,张珑. 焊接学报. 2012(09)
[4]稀土元素对无铅钎料组织和性能的影响[J]. 张亮,韩继光,何成文,郭永环,薛松柏,皋利利,叶焕. 中国有色金属学报. 2012(06)
[5]添加Ag元素对铝软钎焊用Sn-1.5Zn系钎料性能的影响[J]. 刘亮岐,徐金华,陈胜,马鑫,张新平. 材料工程. 2010(10)
[6]铝合金表面Ni-Cu-P化学镀层的性能研究[J]. 张安柱,佟富强. 苏州大学学报(自然科学版). 2010(01)
[7]磷含量对Sn-2.5Ag-2.0Ni/Ni（P）钎焊接头组织及剪切强度的影响[J]. 吴茂,何新波,孟菲菲,曲选辉. 材料热处理学报. 2009(04)
[8]微电子封装无铅钎焊的可靠性研究[J]. 梁凯,姚高尚,简虎,熊腊森. 电焊机. 2006(05)
[9]微电子封装无铅钎焊的可靠性研究[J]. 梁凯,姚高尚,简虎,熊腊森. 电子质量. 2006(04)
[10]共晶SnBi/Cu焊点界面处Bi的偏析[J]. 刘春忠,张伟,隋曼龄,尚建库. 金属学报. 2005(08)
博士论文
[1]电子封装互连无铅钎料及其界面问题研究[D]. 于大全.大连理工大学 2004
硕士论文
[1]封装结构界面热断裂力学分析[D]. 国峰楠.哈尔滨工业大学 2010
[2]添加元素对Sn基无铅钎料工艺性能及接头区界面行为的影响[D]. 胡志田.合肥工业大学 2006
本文编号：2945864
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