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稀土元素的添加对SnBi系焊料合金微观组织及界面反应的影响

作　者: 吴翠平
导　师: 沈骏
学　校: 重庆大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 无铅焊料 稀土元素 微观组织 界面反应 金属间化合物
分类号: TG42
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


微电子封装工艺中,无铅焊料合金组织中的金属间化合物（intermetallic compound, IMC）起到热、电和机械连接作用,其形态和分布直接影响着该合金的连接性能。焊料在基板上的焊接性能直接决定着焊点的可靠性,进而影响整个电子设备的服役寿命。稀土元素以其特殊的性能被添加到无铅焊料中,得到了许多研究者的关注。本文以极具应用前景的Sn30Bi0.5Cu、Sn35Bi1Ag和Sn57Bi1Ag无铅焊料合金为基体,分别添加不同质量分数的混合稀土元素（rare earth, RE）制备新型无铅焊料合金。研究了新型无铅焊料与Cu基板焊接后其焊接接头的微观组织演变,时效过程中界面处金属间化合物的生长规律及稀土元素的添加对无铅焊料硬度的影响机制。又同时研究了Sn58Bi无铅焊料与电镀不同元素的Cu基板反应,其焊接接头微观组织和界面金属间化合物的演变。全文主要内容和结论如下:稀土元素的添加对SnBiCu-xRE和SnBiAg-xRE（x=0, 0.25和0.5）无铅焊料合金的熔点略有影响。微量稀土元素的添加细化了焊料合金基体中的β-Sn相、Cu6Sn5相和Ag3Sn相,并使其均匀分布在焊料合金基体中。随着稀土元素的添加,焊料合金的显微硬度明显升高。当添加0.5wt.% RE时,由于基体组织中少量脆性富Bi相枝晶的析出,SnBiAg焊料合金的显微硬度增长缓慢;焊接接头处金属间化合物层Cu6Sn5相的生长受到抑制,这是因为添加的稀土元素抑制了Sn元素的活性,降低了Cu6Sn5层生长的驱动力。通过对Sn57Bi1Ag-xRE/Cu（x=0, 0.25,0.5,0.75和1.0）焊料合金微观组织演变的研究发现:随着微量稀土元素的添加,Sn57Bi1Ag-xRE焊料的固相线下降,糊状温度区间略有上升。当添加微量稀土元素时,焊料合金中的富Bi相得到细化,但是过量稀土元素的添加导致RE（Bi,Sn）3金属间化合物的形成,使稀土元素对富Bi相枝晶的吸附作用减弱,从而促进了富Bi相的生长。由于稀土元素在界面处的吸附作用,使得界面处金属间化合物Cu6Sn5层的生长受到抑制。通过时效处理SnBiAg-xRE/Cu焊接接头,探讨了焊接接头界面处金属间化合物的生长规律。结果表明:焊料界面处金属间化合物的生长和厚度变化受稀土元素对Cu6Sn5相吸附作用的影响。稀土元素对富Bi相晶粒的细化作用会促进金属间化合物的生长,而其在界面处Cu6Sn5相表面的吸附会抑制金属间化合物的生长。这使得SnBiAg -0.5RE/Cu界面处的金属间化合物的厚度生长速度最小。研究了Sn58Bi/x（x=Cu,Ni/Cu,Au/Ni/Cu,Ag/Cu和Zn/Cu）焊接接头微观组织及界面金属间化合物层的演变。研究发现:Sn58Bi焊料合金在不同基板上焊接时,界面形成的金属间化合物是不同的,且其厚度也不相等。电镀Au和Ag的焊接接头微观组织中分别出现了长条状的AuSn4相和Ag3Sn相,而界面处出现了不同的金属间化合物,比如AuSn4相、Ag3Sn相和Ni3Sn4相。电镀Au和Ni元素后,微观组织中的富Bi相尺寸减小,得到细化。而电镀所有元素后,与没有电镀相比,界面处金属间化合物层的厚度增加。

全文目录


中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-24
  1.1 钎焊及焊料合金在微电子封装中的使用  10
  1.2 焊料无铅化的背景  10-13
    1.2.1 环境和立法禁止含铅焊料的使用  10-11
    1.2.2 电子器件微型化的发展趋势  11-13
  1.3 无铅焊料的性能要求  13-17
    1.3.1 熔点  13
    1.3.2 与连接界面的润湿性  13-14
    1.3.3 良好的力学性能  14-15
    1.3.4 蠕变性能  15
    1.3.5 热学性能  15-17
  1.4 SnBi 系无铅焊料的研究现状  17-18
    1.4.1 微量元素的添加对SnBi 系焊料合金微观组织和性能的影响  18
  1.5 稀土元素的添加对无铅焊料合金组织和性能的影响  18-22
    1.5.1 稀土元素的添加对无铅焊料熔化特征的影响  18-19
    1.5.2 稀土元素的添加对无铅焊料微观组织的影响  19-21
    1.5.3 稀土元素的添加对无铅焊料性能的影响  21-22
  1.6 选题意义及研究内容  22-24
2 试验材料及方法  24-28
  2.1 实验材料的制备  24
    2.1.1 焊料合金的制备  24
    2.1.2 焊接基板的准备  24
  2.2 焊接接头的制备及时效处理  24-25
    2.2.1 焊接接头的制备  24-25
    2.2.2 焊接接头的时效处理  25
    2.2.3 焊点截面金相制备  25
  2.3 分析测试方法  25-28
    2.3.1 焊料合金的显微组织观察  25
    2.3.2 差示扫描量热分析  25
    2.3.3 焊料合金基体中细化相的粗化程度测量  25-26
    2.3.4 焊接接头界面金属间化合物层厚度的测量  26
    2.3.5 焊料合金显微硬度的测量  26-28
3 稀土元素的添加对 SnBiCu 和 SnBiAg 焊料合金微观组织和界面反应的影响  28-38
  3.1 引言  28-29
  3.2 含稀土元素的焊料合金熔化特性的分析  29-30
  3.3 稀土元素对焊料合金微观组织的影响  30-33
  3.4 添加稀土元素的焊料合金的显微硬度  33-34
  3.5 含稀土元素的焊接接头微观组织演变  34-37
  3.6 本章小结  37-38
4 微量稀土元素的添加对 Sn57Bi1Ag  38-50
  4.1 引言  38-39
  4.2 SnBiAg-xRE 无铅焊料合金的熔化特征  39-40
  4.3 SnBiAg-xRE 焊料合金的微观组织演变  40-42
  4.4 SnBiAg-xRE/Cu 焊接接头的界面反应  42-44
  4.5 讨论  44-49
    4.5.1 熔化特性  44
    4.5.2 微观组织  44-48
    4.5.3 界面金属间化合物的生长  48-49
  4.6 本章小结  49-50
5 稀土元素的添加对 Sn57Bi1Ag 焊接接头时效过程中微观组织演变的影响  50-60
  5.1 引言  50-51
  5.2 Sn57Bi1.0Ag-xRE/Cu 焊接接头的微观演变  51-56
  5.3 Sn57Bi1Ag-xRE/Cu 焊接接头金属间化合物的生长动力  56-58
  5.4 本章小结  58-60
6 Sn58Bi 焊料合金与不同基板回流焊后焊接接头微观组织的演变  60-70
  6.1 引言  60-61
  6.2 Sn58Bi/电镀不同元素的Cu 基板焊接接头的微观组织  61-66
    6.2.1 SnBi 无铅焊料合金基体微观组织的演变  61-63
    6.2.2 焊接接头界面金属间化合物微观组织的演变  63-66
  6.3 分析和讨论  66-67
    6.3.1 SnBi 无铅焊料合金基体微观组织的演变  66-67
    6.3.2 焊接接头界面金属间化合物的演变  67
  6.4 本章小结  67-70
7 全文结论  70-72
致谢  72-74
参考文献  74-80
附录  80
  A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  80

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接材料
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