Zn元素对SnAgCu（0507）钎料组织及界面层的影响
发布时间：2021-11-24 17:48
随着电子设备不断向微型化和轻量化的方向发展,如何提高IC芯片与PCB基板结合界面性能得到了人们的日益重视。在电子设备服役期间,钎料在各个元器件之间建立起桥梁以便电子信号在IC芯片之间进行相互交换,从而维持电子产品的正常运转。因此研发高性能钎料成为当前电子封装领域的研究热点。目前国际社会常用的钎料为高银Sn-Ag-Cu钎料,该钎料具有良好铺展性能、导电性和热稳定性等特点,但由于该钎料中Ag含量较高,且Ag与Cu之间结合性差,导致该焊料在焊后凝固过程中界面层处生成大块Ag3Sn金属间化合物（IMCs）降低了界面层的可靠性限制了该焊料在电子封装领域的推广。因此,优化低银Sn-Ag-Cu钎料的成分配比并提高焊接接头强度成为当前研究热点之一。本文采用合金凝固理论,通过冶金熔炼的方法将不同含量的Zn（x=0,0.1,0.4,0.7,1.0,2.0wt.%）添加到低银 Sn-0.5Ag-0.7Cu（简称 SAC（0507））,探究 Zn 元素对 Sn-0.5Ag-0.7Cu钎料物理性能和焊接性能的影响,从而达到代替高银Sn-Ag-Cu钎料的目的。通过对SAC（0507）-xZn钎料的显微组织、热行为...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微电子产品的三级封装Fig.1-1Three-LevelPackagingofMicroelectronicProducts
辖鹣低?对于电子封装工艺，无论是采用哪种焊接方法，钎料合金成分及其配比均是影响封装质量的关键因素，目前采用的电子封装钎料体系主要包括Sn–Bi、Sn–Cu、Sn–Zn、Sn–Ag钎料系合金等。1.3.1Sn–Pb钎料由于Sn–Pb钎料具有低成本、铺展性能好和焊接接头力学性能优异等优点，而被用于组装电子产品长达50年之久[9,10]，共晶或近共晶Sn–Pb钎料合金最为常见[11,12]。图1-4为Sn–Pb二元合金相图，由图可知Sn–Pb共晶组成为Sn–37wt%Pb，共晶温度点为183℃，其微观组织主要由β-Sn相、α-Pb相以及片状共晶组织构成。图1-4Sn–Pb二元相图Fig.1-4Sn–PbbinaryPhaseDiagram在Sn–Pb合金系中，Pb元素在改善了熔融钎料的表面张力的同时稀释钎料中Sn原子的浓度，从而有效减轻了Sn原子与基板发生过于剧烈的冶金结合反应，提高了Sn–Pb钎料在基板上的铺展性能[7]。Yao等人[13]通过向Sn–Pb钎料中加入微量P元素后，发现P元素的加入细化了钎料表面氧化膜的晶粒的同时改善熔融钎料合金表面氧化膜的致密度，因此Sn–Pb钎料的抗氧化性得到改善。Zhu等人在Sn–Pb钎料中添加适量RE元素后，发现该焊料的显微组织明显细化，从而增加该焊料中各相之间的位错壁垒，因此Sn-Pb钎料的拉伸强度得到提高[14]。Zhang等人通过向Sn–Pb钎料中添加In元素，发现In元素改善了钎料熔点的同时提高了钎焊对接接头的抗拉强度，当Sn–Pb钎料中In含量达到3wt.%时，此时界面层强度达到最大值[15]。尽管Sn–Pb钎料以其优良的性能在电子封装中得到广泛的应用，但同时存在着缺点。例如Sn–Pb钎料的共晶温度较低，导致其再结晶温度也比较低，因此该钎料会出现由于没有明显的冷作硬化而导致其在切削加工过程中出现明显的粘性。此外，由于Pb及其含Pb化合物含有毒性，在使用以及
1绪论51.3.2Sn–Bi钎料由于Sn–Bi钎料综合性能优良且熔点较低，因而成为当前流行的无铅钎料之一[16]。图1-5为Sn–Bi二元钎料合金相图，由图可知该合金系在共晶点处的成分为Sn58.0wt%Bi，共晶温度点为139℃，其微观形貌主要由交替的层状富Bi相和初生β-Sn相组成。图1-5Sn–Bi二元相图Fig.1-5Sn–BiBinaryPhaseDiagramMolhtari等人[17]向Sn–Bi钎料中分别加入Ni和In元素进行拉伸试验，发现Ni元素与Sn-Bi钎料中Sn原子结合形成Ni3SnIMCs，从而导致该钎料延伸率相比较Sn–Bi钎料降低，而In元素的加入细化并分散了初生β-Sn基体上的富Bi相，从而有效提高了Sn–Bi钎料的延伸率。Shen等人[18]通过向Sn–Bi钎料中添加0.1wt.%Cu元素进行研究后，发现添加Cu元素会减小Sn–Bi钎料的熔化温度和熔程，并进一步对Sn–Bi–Cu钎料合金的力学性能进行分析，发现Cu元素的加入有效改善Sn–Bi钎料钎料的极限抗拉强度以及其延展性，并将其归因于Cu原子与Sn原子结合生成的Cu6Sn5IMCs均匀分布在Sn–Bi钎料中，从而对Sn–Bi钎料起到强化作用。Chen等人[19]研究发现，In可有效减小Sn–Bi钎料的熔点，当添加量为1.0wt.%时，Sn–58Bi钎料熔点下降了5℃，同时发现，钎焊温度对润湿面积也具有一定的影响，钎焊温度越高润湿面积越大。但Bi元素本身具有极大的脆性，而Sn–Bi共晶钎料中Bi含量达到58wt.%，这就造成Sn–Bi共晶钎料合金具有较大硬度和脆性，从而导致该钎料的拉伸强度下降。另一方面，若Bi含量过小使得钎料的凝固区间增大，因此会导致在焊接过程中由于熔融焊料存在时间过长出现界面层剥离现象。且在制备Sn–Bi钎料时，当熔化温度降至190℃时，Bi容易在钎料中偏析，从而产生较大的Bi富集相，导致钎料内部的脆性增加，最终对该钎料强度造成很大的影响[2
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sn–xAg无铅焊料中Ag含量对其显微组织、腐蚀行为和与Cu基体界面反应的影响（英文）[J]. Phacharaphon TUNTHAWIROON,Kannachai KANLAYASIRI. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(08)
[2]晶圆级芯片尺寸封装Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点跌落失效模式（英文）[J]. 黄明亮,赵宁,刘爽,何宜谦. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(06)
[3]A Study on Plastic Deformation Resistance of Sn-Pb-RE Solder[J]. 朱颖,康慧,曲平,方洪渊,钱乙余. Journal of Rare Earths. 1999(04)
硕士论文
[1]Ga对低银Sn-Ag-Cu无铅钎料的组织和性能的影响[D]. 罗冬雪.南京航空航天大学 2015
本文编号：3516476
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微电子产品的三级封装Fig.1-1Three-LevelPackagingofMicroelectronicProducts
辖鹣低?对于电子封装工艺，无论是采用哪种焊接方法，钎料合金成分及其配比均是影响封装质量的关键因素，目前采用的电子封装钎料体系主要包括Sn–Bi、Sn–Cu、Sn–Zn、Sn–Ag钎料系合金等。1.3.1Sn–Pb钎料由于Sn–Pb钎料具有低成本、铺展性能好和焊接接头力学性能优异等优点，而被用于组装电子产品长达50年之久[9,10]，共晶或近共晶Sn–Pb钎料合金最为常见[11,12]。图1-4为Sn–Pb二元合金相图，由图可知Sn–Pb共晶组成为Sn–37wt%Pb，共晶温度点为183℃，其微观组织主要由β-Sn相、α-Pb相以及片状共晶组织构成。图1-4Sn–Pb二元相图Fig.1-4Sn–PbbinaryPhaseDiagram在Sn–Pb合金系中，Pb元素在改善了熔融钎料的表面张力的同时稀释钎料中Sn原子的浓度，从而有效减轻了Sn原子与基板发生过于剧烈的冶金结合反应，提高了Sn–Pb钎料在基板上的铺展性能[7]。Yao等人[13]通过向Sn–Pb钎料中加入微量P元素后，发现P元素的加入细化了钎料表面氧化膜的晶粒的同时改善熔融钎料合金表面氧化膜的致密度，因此Sn–Pb钎料的抗氧化性得到改善。Zhu等人在Sn–Pb钎料中添加适量RE元素后，发现该焊料的显微组织明显细化，从而增加该焊料中各相之间的位错壁垒，因此Sn-Pb钎料的拉伸强度得到提高[14]。Zhang等人通过向Sn–Pb钎料中添加In元素，发现In元素改善了钎料熔点的同时提高了钎焊对接接头的抗拉强度，当Sn–Pb钎料中In含量达到3wt.%时，此时界面层强度达到最大值[15]。尽管Sn–Pb钎料以其优良的性能在电子封装中得到广泛的应用，但同时存在着缺点。例如Sn–Pb钎料的共晶温度较低，导致其再结晶温度也比较低，因此该钎料会出现由于没有明显的冷作硬化而导致其在切削加工过程中出现明显的粘性。此外，由于Pb及其含Pb化合物含有毒性，在使用以及
1绪论51.3.2Sn–Bi钎料由于Sn–Bi钎料综合性能优良且熔点较低，因而成为当前流行的无铅钎料之一[16]。图1-5为Sn–Bi二元钎料合金相图，由图可知该合金系在共晶点处的成分为Sn58.0wt%Bi，共晶温度点为139℃，其微观形貌主要由交替的层状富Bi相和初生β-Sn相组成。图1-5Sn–Bi二元相图Fig.1-5Sn–BiBinaryPhaseDiagramMolhtari等人[17]向Sn–Bi钎料中分别加入Ni和In元素进行拉伸试验，发现Ni元素与Sn-Bi钎料中Sn原子结合形成Ni3SnIMCs，从而导致该钎料延伸率相比较Sn–Bi钎料降低，而In元素的加入细化并分散了初生β-Sn基体上的富Bi相，从而有效提高了Sn–Bi钎料的延伸率。Shen等人[18]通过向Sn–Bi钎料中添加0.1wt.%Cu元素进行研究后，发现添加Cu元素会减小Sn–Bi钎料的熔化温度和熔程，并进一步对Sn–Bi–Cu钎料合金的力学性能进行分析，发现Cu元素的加入有效改善Sn–Bi钎料钎料的极限抗拉强度以及其延展性，并将其归因于Cu原子与Sn原子结合生成的Cu6Sn5IMCs均匀分布在Sn–Bi钎料中，从而对Sn–Bi钎料起到强化作用。Chen等人[19]研究发现，In可有效减小Sn–Bi钎料的熔点，当添加量为1.0wt.%时，Sn–58Bi钎料熔点下降了5℃，同时发现，钎焊温度对润湿面积也具有一定的影响，钎焊温度越高润湿面积越大。但Bi元素本身具有极大的脆性，而Sn–Bi共晶钎料中Bi含量达到58wt.%，这就造成Sn–Bi共晶钎料合金具有较大硬度和脆性，从而导致该钎料的拉伸强度下降。另一方面，若Bi含量过小使得钎料的凝固区间增大，因此会导致在焊接过程中由于熔融焊料存在时间过长出现界面层剥离现象。且在制备Sn–Bi钎料时，当熔化温度降至190℃时，Bi容易在钎料中偏析，从而产生较大的Bi富集相，导致钎料内部的脆性增加，最终对该钎料强度造成很大的影响[2
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sn–xAg无铅焊料中Ag含量对其显微组织、腐蚀行为和与Cu基体界面反应的影响（英文）[J]. Phacharaphon TUNTHAWIROON,Kannachai KANLAYASIRI. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(08)
[2]晶圆级芯片尺寸封装Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点跌落失效模式（英文）[J]. 黄明亮,赵宁,刘爽,何宜谦. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(06)
[3]A Study on Plastic Deformation Resistance of Sn-Pb-RE Solder[J]. 朱颖,康慧,曲平,方洪渊,钱乙余. Journal of Rare Earths. 1999(04)
硕士论文
[1]Ga对低银Sn-Ag-Cu无铅钎料的组织和性能的影响[D]. 罗冬雪.南京航空航天大学 2015
本文编号：3516476
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