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Al、In对Sn-Ag-Zn焊料组织形成的影响及连接界面的研究

作　者: 万敬博
导　师: 刘永长
学　校: 天津大学
专　业: 材料学
关键词: 无铅焊料 Sn-Ag-Zn 金属间化合物 显微组织 连接界面 扩散
分类号: TG42
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 90次
引　用: 1次
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内容摘要


可靠性是现代电子封装技术面临的最大难题,发展满足实际使用要求的自适应无铅焊料已成为当务之急。通过进一步添加其他组元、控制连接界面上金属间化合物的形貌及类型,已成为高性能无铅焊料开发和提高焊点可靠性的重要途径。这里选择可能析出具有形状记忆性能的AgZn相的Sn-3.7%Ag-0.9%Zn焊料合金为基本体系,通过添加第四组元,期望进一步促进AgZn相的析出,改善焊料性能,并对Sn-Ag-Zn/Cu的连接界面进行了初步研究。首先系统研究了Al和In的加入对平衡与水冷Sn-Ag-Zn焊料组织形成过程的影响。研究结果表明:Al和In的加入显著影响焊料组织形貌,其中Al的加入促进金属间化合物Ag2Al的形成,抑制AgZn相的析出;In的加入对焊料组织的影响与冷却速度有关,较低冷速下不会改变焊料的相组成,只改变焊料组织形貌,且条状混合组织(由Ag3Sn和AgZn构成)的生成归因于Ag3Sn和AgZn相对In原子的吸附作用,较高冷速下组织中只有Ag3Sn金属间化合物,抑制了AgZn相的析出。其次,通过高温时效来模拟上述焊料在服役过程中的组织演化。对于平衡焊料,高温时效不会改变它们的相组成,但可以促进组织中未充分长大的金属间化合物继续长大,并最终使组织细化;对于水冷焊料,高温时效对含Al焊料的影响同平衡焊料一样,也是促进金属间化合物长大及细化组织,而在含In焊料中,高温时效消除了In对AgZn相的抑制作用,AgZn相在时效过程中再次析出,同时Ag3Sn相继续长大,其对含In焊料组织的细化作用主要体现在粗大β-Sn相枝晶的变小,甚至消失。最后,对不同保温时间Sn-3.7%Ag-0.9%Zn/Cu的连接界面作了初步的研究。连接界面的形成分为三个阶段:反应初期生成的是Cu5Zn8层;随着保温时间的延长进入反应中期,不稳定的Cu5Zn8层从底部开始分解形成Cu6Sn5层,这一阶段受Sn在Cu5Zn8层中的扩散控制;反应末期Cu6Sn5层已完全取代Cu5Zn8层,并继续长大,这一过程受Sn原子在Cu6Sn5层中的扩散控制的(连接界面的分步形成导致实验确定的扩散系数略大于文献值)。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 文献综述  8-30
  1.1 引言  8-10
  1.2 无铅焊料的研究背景  10-12
    1.2.1 环境立法禁止含铅焊料的使用  10-11
    1.2.2 电子器件微型化的趋势需要发展无铅焊料  11-12
  1.3 无铅焊料的发展现状  12-14
    1.3.1 无铅焊料的性能要求  12
    1.3.2 无铅焊料的现代研究方向  12-14
  1.4 无铅焊料要解决的问题  14-17
    1.4.1 无铅焊料的熔点  14-15
    1.4.2 润湿性  15
    1.4.3 无铅焊料中金属间化合物的形成  15-16
    1.4.4 连接与可靠性问题  16-17
  1.5 第四组元的加入对三元系无铅焊料的影响  17-23
    1.5.1 Rare Earth  17-19
    1.5.2 Ni、Co  19-21
    1.5.3 Cr  21-22
    1.5.4 In  22
    1.5.5 Al  22-23
  1.6 无铅焊料与Cu 基板的界面反应  23-27
    1.6.1 Sn-Ag/Cu 体系  23-25
    1.6.2 Sn-Zn/Cu 体系  25-26
    1.6.3 Sn-Cu/Cu 体系  26
    1.6.4 其他体系  26-27
  1.7 自适应无铅焊料  27-28
    1.7.1 自适应无铅焊料研究意义  27
    1.7.2 自适应无铅焊料的研究思路  27-28
  1.8 本文的研究内容  28-30
第二章 实验研究方法  30-35
  2.1 焊料熔炼  30-31
  2.2 平衡焊料合金的制备  31
  2.3 Sn-Ag-Zn/Cu 焊点的制备  31-32
  2.4 封样及抛光  32-33
  2.5 X-射线衍射分析  33
  2.6 微观组织分析  33-34
    2.6.1 光学显微镜  34
    2.6.2 环境扫描电子显微镜  34
  2.7 热处理实验  34-35
第三章 Al、In 的加入对Sn-3.7% Ag-0.9%Zn 合金平衡组织的影  35-66
  3.1 Al 的加入对Sn-3.7% Ag-0.9%Zn 合金平衡组织形成的影  35-42
  3.2 In 的加入对Sn-3.7%Ag-0.9% Zn 合金平衡组织形成的影响  42-50
  3.3 含Al、In 的平衡Sn-3.7% Ag-0.9%Zn 合金组织小  50-51
  3.4 高温时效对平衡Sn-3.7%Ag-0.9% Zn-x%Al 合金组织的影  51-60
  3.5 高温时效对平衡Sn-3.7%Ag-0.9% Zn-x%In 合金组织的影  60-65
  3.6 含Al、In 的平衡Sn-3.7% Ag-0.9%Zn 合金高温时效组织小  65-66
第四章 Al、In 的加入对水冷Sn-3.7%Ag-0.9% Zn 合金组织的影  66-75
  4.1 Al 的加入对水冷Sn-3.7%Ag-0.9%Zn 合金组织形成的影  66-68
  4.2 In 的加入对水冷Sn-3.7% Ag-0.9%Zn 合金组织形成的影响  68-69
  4.3 含Al、In 的水冷Sn-3.7%Ag-0.9% Zn 合金组织小结  69-70
  4.4 高温时效对水冷Sn-3.7%Ag-0.9% Zn-x%Al 合金组织的影  70-71
  4.5 高温时效对水冷Sn-3.7%Ag-0.9% Zn-x%In 合金组织的影  71-74
  4.6 含Al、In 的水冷Sn-3.7%Ag-0.9% Zn 合金高温时效组织小结  74-75
第五章 Sn-3.7%Ag-0.9%Zn 合金与Cu 基板连接界面分  75-90
  5.1 保温时间对Sn-3.7% Ag-0.9%Zn 合金与Cu 基板界面组织的影  75-89
  5.2 小结  89-90
第六章 结论  90-92
参考文献  92-102
发表论文和参加科研情况说明  102-103
致谢  103

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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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