基于超声振动辅助的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金的润湿及钎焊接头时效特性

摘要

电子产品小型化、轻量化和多功能化的绿色制造，使得SnAgCu系无铅钎料尤其是我国独具特色的SnAgCuRE系无铅钎料成为 SnPb钎料的最佳替代品之一。开展相关无铅钎料焊点质量及工程应用研究，是电子封装和组装领域亟待解决的热点问题。本文以SnAgCuRE系无铅钎料与实际电子和组装用引线框架材料C194铜合金为研究对象，针对无铅钎料无卤或少卤电子组装存在的润湿性及焊点质量不足问题，研究超声振动辅助作用下 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金的润湿、钎焊及钎焊接头时效特性，为扩大SnAgCu系无铅钎料的适用范围及无卤无铅电子和组装提供理论和实验依据。
　　本文采用正交和单因素实验，研究了钎剂类型、润湿参数和超声振动条件（超声振动功率和时间）对超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金润湿性的影响，确定了最佳工艺参数；探讨了超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金钎焊工艺试验、接头组织性能及接头断裂机制；探究了超声振动辅助作用下 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金钎焊接头时效过程中界面IMC生长行为及时效断口断裂机制。结果表明，超声振动辅助作用下可实现Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金的良好润湿和钎焊。在温度275℃、超声振动功率88W、超声振动时间50s下，得到的最大铺展面积52.7mm2、最小润湿角24.2°和钎焊接头最大剪切强度24.3MPa，较无超声振动下分别提高60.1％、降低46.7%和提高49%。与无超声振动相比，超声振动辅助作用下 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金钎缝初生相β-Sn枝晶比例增加、共晶组织疏松，Ag3Sn由细小颗粒状或针状变成具有较大间距的片状，钎缝硬度升高；界面IMC层厚度和表面粗糙度降低，界面IMC厚度3.2μm和最小粗糙度2.1μm、较无超声振动相比分别降低了22%和64%；钎焊接头断裂方式由界面IMC内部脆性断裂转变为界面IMC内部和钎缝的以韧性为主混合型断裂，随超声振动功率和超声振动时间增加，钎焊接头断口韧性增加，断裂途径由界面IMC内部向界面IMC和钎缝中迁移。超声振动辅助作用下 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金时效钎焊接头界面出现明显的Cu3Sn IMC，与无超声振动相比，接头界面Cu6Sn5、Cu3SnIMC生长速率较小、厚度较薄，接头剪切强度相应提高，在时效450h时钎焊接头剪切强度为17.6MPa，提高38%。随时效时间延长，钎焊接头界面 Cu6Sn5、Cu3Sn IMC层厚度增加，Cu6Sn5 IMC尺寸增大且形态由扇贝状逐渐变成层片状，接头剪切强度相应降低，剪切断口发生由界面 IMC内部和钎缝组成的混合型断裂向发生在界面IMC内部的脆性断裂转变。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 微电子封装材料及其钎焊

1.3 提高微连接无铅焊点可靠性的途径

1.4 研究目的和内容

第2章 试验方案及方法

2.1 试验原理及技术路线

2.2 试验材料

2.3 试验方法及条件

第3章 超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194润湿性

3.1 超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194润湿性正交试验

3.2工艺参数对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE /C194润湿性的影响

3.3超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE /C194润湿界面组织

3.4 小结

第4章 超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194的钎焊

4.1超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE /C194钎焊接头组织

4.2 超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194钎焊接头钎缝

4.3超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE /C194钎焊接头界面IMC

4.4 超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194钎焊接头力学性能及断裂机制

4.5 小结

第5章 超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194钎焊接头时效特性

5.1 超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194钎焊接头时效焊点组织

5.2 超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194焊点时效后界面IMC

5.3 超声振动辅助作用下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194钎焊接头时效后力学性能及断裂机制

5.4 小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果