微互连界面化合物生长规律及Mn对SnAgCu焊料合金性能影响

发布时间：2017-09-01 07:24

  本文关键词：微互连界面化合物生长规律及Mn对SnAgCu焊料合金性能影响

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【摘要】：随着电子产品轻薄化、微型化以及功能集成化的飞速发展,电子封装产业在此大环境下对封装结构的高性能、高可靠的要求也日益提高。在电子产品的服役过程中,焊点界面承担着可靠性连接核心部位的角色,不断地受到来源于外部、内部电载荷、热作用的冲击。因此,作为整个钎焊结构唯一的冶金结合产物,界面金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)的生长行为与形貌演变规律的探究变得尤为重要。界面金属间化合物的形貌、厚度以及缺陷直接决定着整个电子系统的服役可靠性和使用寿命。因此,本文以焊Sn、Sn3Ag0.5Cu焊料与Cu衬底基板为研究对象,研究了在空冷和水冷条件下界面IMC的生长动力学与晶粒尺寸演变规律,以及界面IMC厚度与焊点热导率之间的关系,并就此展开了深入的分析讨论。全文的主要内容和研究结果如下:本文通过对钎焊过程实施空冷、水冷条件,研究了焊点界面处IMC粒径分布与形貌生长特性规律。研究发现,在相同时间条件下,水冷条件下Cu6Sn5相的生长动力指数小于空冷条件下的生长动力指数。并且水冷条件下最终形成的颗粒平均直径小于空冷条件下的晶粒平均直径,这是由于相比空冷条件,水冷条件下Cu6Sn5相缺少了一个冷却凝固过程中从液相焊Sn中析出于Cu6Sn5顶部前沿的生长过程。界面Cu6Sn5相形成小面棱形形貌主要是冷却过程中的激冷导致的焊点中心部位到边缘位置上巨大的能量梯度,从而影响Cu6Sn5相的长大所需的能量而形成的形貌上的差异。界面处Cu6Sn5相形核后的生长过程可以归结为:竞争生长(垂直于基板方向)→均匀生长(平行于基板方向)→竞争生长(垂直于基板方向)→均匀生长(平行于基板方向)。本文通过测量不同时效温度、不同时效时间下焊点的热导率,研究了界面IMC厚度增长与焊点结构热导率变化的内在联系。研究表明,相同温度下时效后,接头的热导率随着时效时间的增加而减小;相同时效时间下,接头的热导率随着时效温度的增加而减小。主要原因为IMC厚度的增加导致接头整体导热性能的下降。XRD衍射结果显示,纯Cu基板在4种时效温度及4种时效时间下均只形成了Cu6Sn5相,并无Cu3Sn相的形成。从而确保了IMC厚度演变过程中界面相的单一性,并未有第二相或者是其他因素的干扰。本文通过在SAC焊料中添加Mn微米粉末以制备新型焊料合金,研究了合金元素对焊料合金的凝固、热力以及机械性能的影响。结果表明,Mn的加入降低了合金的过冷度,且加入量为1.0%时,抑制效果最好。加入的Mn粉在粉末状的焊料合金的熔化过程中是没有直接熔化的,而是以扩散的形式溶解到合金中的。Mn的加入在焊料合金中形成了异质金属间化合物Sn2Mn,并且随着Mn加入在回流焊接的时候SACM/Cu接头处的IMC层厚度增大,Mn加入量为1.0%时IMC最厚大。但在时效时,SACM/Cu接头的IMC层厚度与SAC/Cu的相比变化不大。Mn的添加提高了焊料合金的硬度,并使接头由焊料塑性断裂转变为混合断裂到IMC层脆性断裂,使接头的拉伸强度降低。在时效过程中,SAC/Cu和SACM/Cu接头的拉伸强度都有所提高。
【关键词】：金属间化合物 生长动力学 热导率 Mn元素
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG454
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-24
• 1.1 电子封装产业的发展现状及焊料的无铅化9-11
• 1.2 钎焊技术中的可靠性问题11-13
• 1.2.1 锡晶须11-12
• 1.2.2 热机械应力12-13
• 1.3 界面反应的扩散、生长动力学13-18
• 1.3.1 Cu-Sn系统二元相图13-15
• 1.3.2 扩散动力学15-16
• 1.3.3 晶界扩散理论16-18
• 1.4 熟化现象及不同形貌的Cu_6Sn_5相生长动力学18-21
• 1.5 钎焊结构传热理论21-23
• 1.6 选题的意义及研究内容23-24
• 2 实验材料及方法24-29
• 2.1 实验材料的准备24
• 2.1.1 粒径分布试验材料24
• 2.1.2 导热试验材料24
• 2.1.3 合金化试验材料24
• 2.2 焊接接头的制备24-25
• 2.3 热流量法测导热系数25-26
• 2.4 XRD方法检测界面处相成分26-27
• 2.5 焊接接头的金相制备27-28
• 2.5.1 晶粒尺寸分布的金相制备27
• 2.5.2 测量导热试样截面的金相制备27
• 2.5.3 添加合金元素的接头金相制备27-28
• 2.6 分析测试方法28-29
• 2.6.1 焊接接头正面、截面的显微组织观察及分析28
• 2.6.2 接头界面金属间化合物晶粒尺寸分布的测量28
• 2.6.3 接头界面金属间化合物层厚度的测量28-29
• 3 回流时间对界面Cu_6Sn_5相的晶粒尺寸分布与生长的影响29-41
• 3.1 引言29-30
• 3.2 Sn/Cu焊接接头上的Cu_6Sn_5相形貌30-35
• 3.3 回流时间对界面Cu_6Sn_5相生长的影响讨论35-37
• 3.4 圆形形貌和棱形形貌的讨论37
• 3.5 界面Cu_6Sn_5相生长动力机理及生长模型的假设37-39
• 3.6 本章小结39-41
• 4 界面IMC生长对接头热导率的影响41-48
• 4.1 引言41
• 4.2 时效条件下接头的热导率41-43
• 4.3 时效条件下焊点截面组织形貌及生长曲线43-45
• 4.4 Cu基板与镀Ag基板界面XRD分析45-47
• 4.5 本章小结47-48
• 5 添加合金元素对SAC焊料合金的影响48-55
• 5.1 引言48-49
• 5.2 热分析实验结果49-50
• 5.3 Cu基板与SnAgCu-xMn界面显微组织和微观形貌50-53
• 5.4 硬度和拉伸性能分析53-54
• 5.5 本章小结54-55
• 6 全文结论55-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-63
• 附录63
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录63

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本文编号：770723