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电子封装用Sn-Zn无铅钎料专用助焊剂研究

作　者: 韩若男
导　师: 薛松柏
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料学
关键词: Sn-Zn 电子封装助焊剂润湿性能力学性能显微组织可靠性
分类号: TG425
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

Sn-Zn系无铅电子封装钎料由于具有熔点与Sn-37Pb接近、成本低以及良好的焊点力学性能等优点成为目前最具潜力的无铅钎料之一。但是，Sn-Zn合金钎料中Zn元素的存在导致合金润湿性及抗氧化性等方面的不足，阻碍了该合金的推广应用。为解决这些问题，一方面，通过微合金化的方式改善钎料合金的性能；另一方面，通过研究和开发与Sn-Zn配套使用的助焊剂改善钎料的润湿性问题。本文首先研究了化学成分丁二酸、二乙醇胺、甲磺酸亚锡、TX-10、邻苯二酚以及聚乙二醇、二甘醇、乙醇的添加量对Sn-Zn系无铅钎料润湿性的影响规律；然后根据正交试验结果得到Sn-Zn钎料的专用助焊剂最佳配方；还研究了配合最佳配方Sn-Zn专用助焊剂对焊点力学性能及可靠性等方面的影响，并分析了助焊剂的作用机制。研究发现，自制G8组Sn-Zn专用助焊剂为最优配方助焊剂，配方为丁二酸10wt.%、二乙醇胺8wt.%、甲磺酸亚锡20wt.%、TX-100.8wt.%、邻苯二酚1.2wt.%以及聚乙二醇30wt.%、乙醇20wt.%、二甘醇10wt.%。相比市售助焊剂，自制最优G8组助焊剂不含卤素，匹配Sn-Zn系无铅钎料进行钎焊时，钎料的润湿性能改善显著，焊点规整，光亮，基本无残留物，Sn-Zn钎料在铜基板上的铺展面积最大为116.8mm²、润湿力最大为4.67mN，润湿时间最短为0.8s。另外，自制最优助焊剂也能明显改善Sn-Cu-Ni、Sn-Ag-Cu钎料的润湿性能，但改善效果略低于Sn-Zn。自制最优Sn-Zn专用助焊剂性质稳定，呈现白色膏状，具有良好的触变性，搅拌后变为质地均匀、流动性良好的稀膏液；粘性、不挥发物质含量均符合标准、基本无腐蚀性、PH值等于6.5接近中性、具有较高的绝缘电阻。配合自制最优助焊剂进行钎焊时，能够减少Sn、Zn的氧化倾向，有效去除基板与液态熔体钎料之间的油污及杂质，降低界面间气孔的形成几率，细化Sn-Zn/Cu焊点界面组织，抑制Sn-Zn/Cu基板界面处金属间化合物层厚度的增加。显著提高Sn-Zn/Cu接头焊点的力学性能，接头焊点抗剪强度最大为39.06MPa，相比配合树脂型助焊剂、水溶性助焊剂、ZnCl₂-NH₄Cl助焊剂，分别提高了99.69%，76.18%，9.26%；接头焊点抗拉强度最大为25.65MPa，相比配合树脂型助焊剂、水溶性助焊剂、ZnCl₂-NH₄Cl助焊剂，提高了111.11%，77.91%，27.49%。时效过程中，钎焊焊点的力学性能下降，配合自制最佳配方Sn-Zn专用助焊剂的焊点力学性能的下降趋势小于配合其他助焊剂，且焊点力学性能始终领先。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-22
  1.1 引言  13
  1.2 电子封装技术概述  13-14
    1.2.1 电子封装技术  13
    1.2.2 微电子焊接技术  13-14
    1.2.3 电子封装材料  14
  1.3 无铅电子封装钎料的研究现状及发展趋势  14-17
    1.3.1 无铅钎料的提出  14-16
    1.3.2 无铅钎料的研究现状  16
    1.3.3 无铅钎焊技术应用中面临的问题  16-17
  1.4 无铅电子封装用助焊剂的研究进展  17-20
    1.4.1 助焊剂的作用与特性  17-18
    1.4.2 无铅钎料用助焊剂的发展  18-19
    1.4.3 Sn-Zn 系无铅钎料用助焊剂的研究现状  19-20
  1.5 本课题研究的意义及主要内容  20-22
    1.5.1 研究的意义  20-21
    1.5.2 研究的主要内容  21-22
第二章试验过程与研究方法  22-44
  2.1 引言  22
  2.2 钎料合金的选择与熔炼  22-23
  2.3 助焊剂的配制  23-31
    2.3.1 助焊剂制备流程图  23-24
    2.3.2 单组分助焊剂制备  24-26
    2.3.3 正交试验  26-28
    2.3.4 复合组分助焊剂的制备  28-31
  2.4 铺展率试验  31-32
    2.4.1 铺展试验原理  31
    2.4.2 试验材料及仪器  31-32
    2.4.3 试验过程  32
  2.5 润湿平衡试验  32-35
    2.5.1 润湿平衡试验原理  32-33
    2.5.2 试验材料及仪器  33-34
    2.5.3 试验过程  34-35
  2.6 助焊剂性能测试试验  35-37
    2.6.1 外观、物理稳定性测试  35
    2.6.2 不挥发物质测试  35
    2.6.3 腐蚀性测试  35-36
    2.6.4 pH 值的测试  36
    2.6.5 粘性测试  36-37
    2.6.6 绝缘电阻测试  37
  2.7 钎料基体组织及焊点界面显微组织  37-39
    2.7.1 钎料基体组织观察试样制备  38
    2.7.2 焊点界面显微组织观察试样制备  38
    2.7.3 IMC 厚度的计算  38-39
  2.8 焊点力学性能试验  39-44
    2.8.1 紫铜接头力学性能试验  39-40
    2.8.2 电子元器件焊点力学性能试验  40-44
第三章助焊剂中各组分对 Sn-Zn 润湿性能的影响  44-69
  3.1 引言  44
  3.2 单一成分添加对助焊剂性能的影响  44-53
    3.2.1 助焊剂基本成分的选择  44-46
    3.2.2 单成分活性剂的添加对助焊剂性能的影响  46-51
    3.2.3 单成分表面活性剂的添加对助焊剂性能的影响  51-53
  3.3 添加复合活性成分助焊剂对钎料润湿性能的影响  53-62
    3.3.1 复合活性成分对助焊剂性能的影响  53-58
    3.3.2 复合载体成分对助焊剂性能的影响  58-62
  3.4 自制最优成分助焊剂与市售助焊剂的比较  62-63
  3.5 自制最优助焊剂对不同钎料润湿性能的影响  63-64
  3.6 润湿试验结果分析  64-68
  3.7 本章小结  68-69
第四章助焊剂性能测试分析  69-74
  4.1 引言  69
  4.2 外观、物理稳定性测试  69-70
  4.3 不挥发物质测试  70
  4.4 腐蚀性测试  70-71
    4.4.1 助焊剂对铜板的腐蚀  70-71
    4.4.2 助焊剂残留对钎料的腐蚀  71
  4.5 pH 值的测试  71-72
  4.6 粘性测试  72
  4.7 绝缘电阻测试  72-73
  4.8 本章小结  73-74
第五章助焊剂对焊点性能的影响  74-81
  5.1 引言  74
  5.2 钎料基体组织  74-75
  5.3 界面组织  75-77
    5.3.1 助焊剂对 Sn-Zn/Cu 界面组织的影响  75-76
    5.3.2 助焊剂对 Sn-Zn/Cu 界面组织影响机制的分析  76-77
  5.4 助焊剂对 Sn-Zn/Cu 焊点力学性能的影响  77-79
    5.4.1 焊点力学性能  77-78
    5.4.2 焊点时效力学性能  78-79
  5.5 焊点拉伸断口形貌分析  79-80
  5.6 本章小结  80-81
第六章结论  81-83
参考文献  83-90
致谢  90-91
在学期间的研究成果及发表的学术论文  91

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