无铅钎料接头界面化合物层生长及元素扩散行为

发布时间：2017-05-08 07:06

  本文关键词：无铅钎料接头界面化合物层生长及元素扩散行为，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电子产品进一步向微、薄、轻方向发展，电子器件的I／O端口数不断增多，焊点体积不断减小，焊点的可靠性越来越受到人们的关注。焊点的可靠性主要取决于其界面行为。因此钎焊过程和服役过程中界面的反应、扩散以及界面的微观组织对当前无铝钎料可靠性研究具有重大意义。 本文采用Sn-3.5Ag／Cu，Sn-37Pb／Cu，Sn-9Zn-3Bi／Cu和Sn-3.5Ag／Ni／Cu四种钎焊接头研究其在钎焊过程和时效过程中界面化合物层的生长行为及元素扩散行为，研究结果表明： (1)对于Sn-3.5Ag／Cu，Sn-37Pb／Cu钎焊接头，钎焊后的界面化合物呈扇形形貌。在Sn-3.5Ag／Cu界面化合物的表面上发现有纳米级的Ag_3Sn颗粒。在钎焊过程中Sn-3.5Ag／Cu和Sn-37Pb／Cu界面Cu-Sn化合物层厚度随钎焊时间的增加而增加。实际上，在化合物层的生长过程中同时也伴随着溶解过程，由于其生长速度大于溶解速度，化合物层厚度随钎焊时间的增加而增加。并且发现Sn-3.5Ag／Cu在钎焊过程中所形成的IMC厚度比Sn-37Pb的薄，主要原因是Sn-3.5Ag／Cu界面IMC向液态钎料中的溶解大于Sn-37Pb／Cu的。在时效过程中Sn-3.5Ag／Cu和Sn-37Pb／Cu界面化合物层厚度与时效时间的平方根成正比，可用方程d=d_0+(Kt)~(1/2)来表示。通过计算，Sn-3.5Ag／Cu界面整个IMC和Cu_6Sn_5化合物的激活能分别为75.16 kJ／mol，58.59 kJ／mol；Sn-37Pb／Cu界面整个IMC和Cu_6Sn_5化合物的激活能分别为82.19 kJ／mol，73.11 kJ／mol。 (2)对于Sn-3.5Ag／Ni／Cu，，钎焊后的界面化合物形貌为层状结构。在界面IMC上同样发现有纳米级Ag_3Sn颗粒。钎焊过程中界面化合物层生长符合t~(1／6)规律。界面IMC在时效过程中的生长动力学符合x=(Kt)~(1／2)关系。在钎焊及时效过程中界面化合物主要是Ni_3Sn_4化合物，说明电镀Ni层能很好的抑制Sn-3.5Ag／Cu焊点中Cu，Sn相互反应和扩散。通过计算，Sn-3.5Ag／Ni／Cu界面化合物的扩散激活能为132.404KJ／mol，比Cu_6Sn_5的激活能(58.95 KJ／mol)大得多，表明Ni_3Sn_4的生长速度在低温时效时比Cu_6Sn_5的慢，而在高温时效时比Cu_6Sn_5的快。 (3)对于Sn-9Zn-3Bi／Cu，钎焊后的界面化合物形貌为层状结构。钎焊过程中界面化合物层生长符合t~(1／6)规律。在钎焊过程中形成的Cu-Zn化合物层在时效过程中不稳定。在170℃下时效至200 h后在界面处形成单一连续的Cu_5Zn_8化合物层；而时效至500 h和1000 h后，界面处形成了三层化合物层(从Cu母材侧起，分别为Cu-Sn化合物层，Cu-Zn化合物层和Sn-Cu化合物层)，Cu-Zn化合物层在时效过程中的不稳定将会影响接头在服役条件下的可靠性。
【关键词】：无铅钎料 显微结构 界面反应 金属间化合物 钎焊 时效
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TG407
【目录】：

• 第一章 绪论10-23
• 1.1 微电子封装技术的发展10-13
• 1.1.1 微电子封装技术定义10
• 1.1.2 微电子封装技术的发展10-13
• 1.1.2.1 倒装焊技术11-12
• 1.1.2.2 球阵列封装12-13
• 1.1.2.3 SMT焊接基板材料简介13
• 1.2 钎料在微电子封装技术中的应用13-14
• 1.3 无铅钎料的发展与应用背景14-19
• 1.3.1 无铅钎料研究的驱动力14-15
• 1.3.2 无铅钎料的技术要求15
• 1.3.3 无铅钎料的成分设计15-17
• 1.3.4 无铅钎料焊点的可靠性17-18
• 1.3.5 无铅钎料的推广应用需解决的问题18-19
• 1.4 表面贴装过程中的焊接金属学19-22
• 1.4.1 钎料对基体金属的润湿19-20
• 1.4.2 钎料和基体金属之间的相互作用20-22
• 1.4.2.1 不同钎料和基体金属之间可能形成的金属化合物20
• 1.4.2.2 研究钎料与基体金属之间界面反应的重要性20-22
• 1.5 论文选题及研究内容22-23
• 第二章 共晶SnPb钎料和基体Cu在钎焊反应过程中界面处金属间化合物生长的扩散模型23-36
• 2.1 概述23
• 2.2 K.N.Tu模型23-27
• 2.3 M.Schaefer模型27-32
• 2.4 界面Cu-Sn IMC生长模型的进一步完善32-36
• 2.4.1 钎焊过程中Cu-Sn IMC的生长过程32-34
• 2.4.1.1 Cu-Sn IMC的生长阶段32-34
• 2.4.1.2 Cu-Sn IMC生长的驱动力34
• 2.4.2 钎焊过程中Cu-Sn IMC的溶解过程34-35
• 2.4.3 小结35-36
• 第三章 Sn-3.5Ag／Cu和Sn-Pb／Cu接头在钎焊及时效过程中界面处金属间化合物的生长行为36-51
• 3.1 概述36
• 3.2 实验方法36-38
• 3.2.1 合金制备与钎焊方法36-37
• 3.2.1.1 合金制备36
• 3.2.1.2 钎焊工艺36-37
• 3.2.2 时效样品的制备37
• 3.2.3 用于组织结构分析的试样的制备37-38
• 3.2.3.1 金相试样的制备37-38
• 3.2.3.2 扫描电子显微镜试样的制备38
• 3.3 研究结果38-49
• 3.3.1 SnAg／Cu和SnPb／Cu在钎焊过程中界面显微结构38-41
• 3.3.2 Cu-Sn IMC在钎焊过程中的生长动力学41-44
• 3.3.2.1 Cu-Sn IMC在钎焊过程中的生长行为41-42
• 3.3.2.2 Cu-Sn IMC在钎焊过程中的溶解42-44
• 3.3.3 SnAg／Cu和SnPb／Cu在时效过程中界面显微结构44-46
• 3.3.4 IMC在时效过程中的生长行为46-48
• 3.3.5 金属间化合物生长的激活能48-49
• 3.4 小结49-51
• 第四章 Sn-3.5Ag钎料与电镀Ni层之间在钎焊和时效过程中的显微结构和界面反应51-66
• 4.1 概述51
• 4.2 实验方法51-52
• 4.2.1 合金制备与钎焊方法51-52
• 4.2.2 时效样品的制备52
• 4.2.3 用于组织结构分析的试样的制备52
• 4.2.3.1 金相试样的制备52
• 4.2.3.2 扫描电子显微镜试样的制备52
• 4.2.3.3 电子探针试样的制备52
• 4.2.3.4 X射线试样的制备52
• 4.3 研究结果52-65
• 4.3.1 在钎焊过程中Sn-3.5Ag／Ni／Cu界面化合物的显微结构52-56
• 4.3.2 Sn-3.5Ag／Ni／Cu界面化合物在钎焊过程中的生长动力学56
• 4.3.3 Sn-3.5Ag／Ni／Cu在时效过程中的界面反应和显微结构56-63
• 4.3.4 在时效过程中Sn-3.5Ag／Ni／Cu界面化合物层的生长动力学63
• 4.3.5 Ni_3Sn_4化合物生长的激活能63-65
• 4.4 小结65-66
• 第五章 Sn-9Zn-3Bi／Cu界面在钎焊和时效过程中显微结构的演变66-78
• 5.1 概述66
• 5.2 实验方法66-67
• 5.2.1 合金制备与钎焊方法66-67
• 5.2.1.1 合金制备66-67
• 5.2.1.2 钎焊工艺67
• 5.2.2 时效样品的制备67
• 5.2.3 用于组织结构分析的试样的制备67
• 5.3 研究结果67-76
• 5.3.1 Sn-9Zn-3Bi／Cu在钎焊过程中的显微结构67-70
• 5.3.2 Sn-9Zn-3Bi／Cu在钎焊过程中界面处金属间化合物层厚的变化规律70
• 5.3.3 Sn-9Zn-3Bi／Cu时效后的界面显微结构70-74
• 5.3.4 Sn-9Zn-3Bi／Cu在时效过程中界面处金属间化合物层厚的变化规律74-76
• 5.4 小结76-78
• 第六章 总结78-79
• 参考文献79-84
• 攻读硕士期间的论文发表情况84-85
• 致谢85-86
• 附录86-90

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 程从前;赵杰;杨朋;朱凤;;Sn-3Ag/Cu接头在钎焊和时效中IMC的生长和晶体取向分析[J];材料热处理学报;2006年04期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 孙鹏;电子封装中无铅焊点的界面演化和可靠性研究[D];上海大学;2008年

2 刘晓英;Sn基复合无铅钎料的研究[D];大连理工大学;2010年

3 蒋淑英;Al/Fe、Al/Ni、Al/Ti液/固界面扩散溶解层研究[D];中国石油大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 葛文君;无铅药芯焊锡丝用无卤素助焊剂的研究[D];天津大学;2010年

2 何大鹏;合金元素对二元Sn基钎料钎焊界面IMC的影响[D];大连理工大学;2006年

3 杨朋;强磁场对锡铜金属间化合物生长行为的研究[D];大连理工大学;2006年

4 胡志田;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];合肥工业大学;2006年

5 梁英;SnAgCuBi系无铅焊料的开发及其焊点界面行为的研究[D];哈尔滨理工大学;2006年

6 王建辉;Sn-Zn-Cu（Ni）无铅钎料及其钎焊接头界面反应研究[D];大连理工大学;2006年

7 杨志;新型Sn-Ag-Bi-Cu-In钎料合金研究[D];昆明理工大学;2006年

8 王要利;RE对低银SnAgCu焊点蠕变及时效特性的影响[D];河南科技大学;2007年

9 高原;无铅合金钎焊接头热疲劳性能的研究[D];北京工业大学;2007年

10 孙立恒;微量Ni、Re对Sn0.7Cu无铅焊料性能的影响[D];西安理工大学;2008年

  本文关键词：无铅钎料接头界面化合物层生长及元素扩散行为，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：350661