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SnCuNi-xPr无铅钎料组织、性能和焊点可靠性研究

作　者: 罗家栋
导　师: 薛松柏
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Sn-Cu-Ni-Pr 焊点组织焊点强度可靠性热循环
分类号: TG425
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目前，在已开发的众多无铅钎料体系中，尚未有一种无铅钎料其综合钎焊性能可以完全与传统的Sn-Pb钎料相媲美。同时为了满足电子产品日益微型化和高密度化的要求，新型无铅钎料焊点强度及其在服役期间的可靠性已成为该领域研究的热点问题。微合金化是当前采用较多的一种改善钎料性能的方式，因此，本文以Sn-0.7Cu-0.05Ni为研究对象，通过添加微量的稀土元素Pr来进一步改进和完善钎料的组织和性能，并着重分析了Pr元素的添加对SnCuNi-xPr钎料焊点可靠性的影响。研究发现，添加0.03wt.%~0.08wt.%的Pr元素可有效改善Sn-0.7Cu-0.05Ni钎料的基体组织。作为表面活性元素，Pr元素可吸附于晶界和相界处使组织变得均匀细密，同时大大降低液态钎料的表面张力，提高其润湿性；但其对钎料的熔化行为未有太大影响，不会对元器件及现有钎焊设备造成影响。对SnCuNi-xPr/Cu焊点组织分析发现，0.05wt.%Pr元素的添加可使焊点内部IMC颗粒呈细小均匀弥散分布，且主要分布于晶界处，有效阻碍晶界迁移，抑制晶粒长大，可同时通过细晶强化和第二相强化的方式提高焊点力学性能。恒温时效和热循环试验的结果表明，SnCuNi-xPr/Cu(x=0，0.05，0.15)焊点界面化合物随时效时间的增长或热循环次数的增加逐渐变厚，且其厚度的增长与热循环次数n近似呈线性关系，与时效时间t的相关系数分别为0.87，0.73和0.93；同时在两种试验条件下，0.05wt.%Pr元素的添加均可在一定程度上抑制焊点界面反应的进行，减小界面化合物的生长速度。通过分析焊点界面化合物在两种试验条件下的生长机制发现，焊点界面化合物的生长可大体分为三个阶段，首先是钎料与Cu基板在界面处反应生成扇贝状界面化合物的纵向生长阶段，其次是扇贝状化合物受表面张力和自身曲率影响发生横向生长的阶段，以及焊点界面附近IMC颗粒合并粗化并与界面化合物融合的阶段。在整个过程中，原子间的相互扩散是导致焊点界面化合物不断生长的最根本原因。通过对比分析恒温时效和热循环试验的结果可知，SnCuNi-xPr/Cu(x=0，0.05)焊点界面化合物在100℃恒温时效过程中的生长速度略高于其在-55℃~125℃范围内进行高低温热循环试验的生长速度；但热循环对焊点力学性能的弱化作用要大于恒温时效。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-22
  1.1 引言  11
  1.2 合金元素对 Sn-Cu 系无铅钎料性能及焊点可靠性的影响  11-19
    1.2.1 Sn-Cu-X 钎料基体显微组织  11-14
    1.2.2 Sn-Cu-X 钎料熔化及凝固特性  14-15
    1.2.3 Sn-Cu-X 钎料润湿性能  15-17
    1.2.4 Sn-Cu-X 钎料焊点界面组织  17-18
    1.2.5 Sn-Cu-X 钎料焊点强度及可靠性  18-19
  1.3 焊点可靠性加速测试方法  19-20
  1.4 本课题的研究意义及研究内容  20-22
    1.4.1 本课题的研究意义  20-21
    1.4.2 本课题的研究内容  21-22
第二章试验过程与方法  22-31
  2.1 试验方案的制定  22
  2.2 钎料合金成分设计与制备  22-23
    2.2.1 钎料合金成分设计  22-23
    2.2.2 钎料合金制备  23
  2.3 钎料合金基体组织及焊点组织分析  23-25
    2.3.1 SnCuNi-xPr 钎料熔化温度测试  24
    2.3.2 SnCuNi-xPr 钎料基体组织观察  24
    2.3.3 SnCuNi-xPr/Cu 焊点组织分析  24-25
  2.4 钎料润湿性测试  25-27
    2.4.1 试验原理  25-26
    2.4.2 试验参数设定  26
    2.4.3 试验材料及步骤  26-27
  2.5 焊点力学性能试验  27-31
    2.5.1 试验标准及方法  27-30
    2.5.2 电子元器件的钎焊  30-31
第三章 SnCuNi-xPr 钎料组织及性能分析  31-39
  3.1 引言  31
  3.2 SnCuNi-xPr 钎料基体组织分析  31-35
  3.3 SnCuNi-xPr 钎料的熔化温度  35-36
  3.4 SnCuNi-xPr 钎料润湿性分析  36-38
  3.5 本章小结  38-39
第四章 SnCuNi-xPr 钎料焊点组织和性能分析  39-47
  4.1 引言  39
  4.2 SnCuNi-xPr/Cu 焊点组织分析  39-42
  4.3 IMC 颗粒对 SnCuNi-xPr/Cu 焊点强度及可靠性的影响  42-45
  4.4 SnCuNi-xPr 钎料焊点力学性能分析  45-46
  4.5 本章小结  46-47
第五章 SnCuNi-xPr 钎料焊点服役可靠性分析  47-67
  5.1 引言  47
  5.2 恒温时效对 SnCuNi-xPr 钎料焊点组织和性能的影响  47-56
    5.2.1 焊点界面组织演化分析  47-53
    5.2.2 焊点界面化合物生长机制分析  53-55
    5.2.3 焊点力学性能的变化  55-56
  5.3 高低温热循环对 SnCuNi-xPr 钎料焊点组织和性能的影响  56-62
    5.3.1 焊点界面组织演化分析  57-61
    5.3.2 焊点力学性能的变化  61-62
  5.4 恒温时效与高低温热循环试验结果的对比分析  62-65
  5.5 本章小结  65-67
第六章结论  67-68
参考文献  68-74
致谢  74-75
在学期间的研究成果及发表的学术论文  75

SnCuNi-xPr无铅钎料组织、性能和焊点可靠性研究

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