锡基无铅钎料超声辅助钎焊铜板的研究

摘要

应用在航空航天、汽车制造等领域的电子元器件，往往需要在高频率、高功率和极致温差等严酷条件下工作，对封装焊点可靠性的要求更为苛刻。传统的软钎焊封装工艺，在钎焊过程中由于钎剂的引入和焊后残留常引发焊点气孔缺陷及焊盘二次腐蚀等问题，这在高端应用领域是绝对不允许的。因此，人们提出将超声波辅助引入软钎焊工艺中，由于其特有的“空化效应”，在钎焊时可以代替钎剂去除母材表面氧化膜，实现无钎剂使用条件下封装焊点的连接。但国内目前将超声波应用在软钎焊中的研究较少，特别是超声辅助软钎焊过程中母材表面的去膜机制也需进行进一步的研究。
　　本文应用超声功率500W、超声频率30Hz的超声波钎焊机，通过超声焊头直接激励固态母材的方式，经辅助加热装置240℃恒温加热，实现大气环境无钎剂使用条件下Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)钎料超声辅助钎焊Cu的连接过程。控制超声振幅和超声作用时间，借助不同超声作用时间的金相照片或扫描电镜照片，观察铜基板表面的超声去膜现象，分析铜母材的去膜机制;同时，观察随超声作用时间增加的焊点钎料组织演变及界面连接层的形貌变化，分析组织及形貌演变原因。研究发现:
　　1.超声波沿厚度为0.5mm的铜基板横向转播的过程中，在距离中心施焊位置0～12mm圆周范围内，超声作用效果随距离增加呈现先增强再减弱的趋势，确定距离中心施焊位置8mm处为最佳施焊位置。
　　2.在小振幅(20％)作用下，随着超声作用时间的延长焊点钎料中的1β-Sn初晶相在超声空化效应作用下出现明显晶粒细化现象;而钎料共晶区中Ag3Sn则发生粗化，由超声作用2s时的尺寸约0.4μm颗粒状Ag3Sn演变为10s时的尺寸约为3μm的片状Ag3Sn，同时Cu6Sn5由2s时的短棒状演变为10s时的晶须状，且数量明显增多，在超声作用15s时晶须状共晶组织占钎料比例的50％。
　　3.超声作用时间的延长可以促使钎料在母材表面进行润湿铺展。超声波振幅对铺展系数的影响最为明显，在大振幅超声作用下，钎料可在短时间内铺展润湿母材基板。超声辅助钎焊SAC305钎料/Cu过程中，可以在界面边缘润湿角大于900的情况下获得良好的铜母材去膜和钎料的润湿，并在界面形成连续的金属间化合物连接层。随着超声作用时间的延长，润湿角呈逐渐减小的趋势。
　　4.SAC305/Cu焊点界面，在超声作用1-10s内，去膜过程中由于母材和氧化膜发生塑性变形而发生弧状凹坑，凹坑随时间的延长发生横向扩展，期间凹坑深度一般维持在5-10μm左右无明显增加;但随后的10-15s超声作用期间，钎料/母材界面向铜内部迁移明显，凹坑深度接近20μm。
　　5.由焊点界面随超声作用时间的演变过程，总结SAC305钎料/Cu母材的氧化膜破除主要包括四个阶段:第一阶段:在超声空化作用下，铜基板表面部分区域的氧化膜及其下方一定体积内的铜金属受迫变形出现弧状凹坑，凹坑内部母材与氧化膜之间出现裂纹，随后氧化膜在凹坑最底端发生断裂产生缺口;第二阶段:熔融钎料进入缺口与Cu接触，并沿着Cu表面裂纹横向渗入，使凹坑表面氧化膜浮起;第三阶段:铺展过程继续进行使弧状凹坑横向尺寸增加，漂浮在熔融钎料中的氧化膜在持续的超声作用下发生破碎，在弧状凹坑与钎料的直接接触界面形成金属间化合物连接层;第四阶段:破碎的氧化膜随液态钎料的流动熔入钎料中，弧状凹坑横向合并生长，界面上不再存在氧化膜覆盖区且形貌趋于平缓，完成去膜过程。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究目的和意义

1．2 超声波辅助钎焊技术的研究进展

1．2．1 超声波辅助钎焊在传统宏观试件连接中的应用

1．2．2 超声波辅助钎焊在微连接中的应用

1．3 超声辅助钎焊中氧化膜破除机制研究进展

1．3．1 超声空化效应

1．3．2 超声波破除氧化膜

1．4 超声波作用对钎料组织的影响

1．5 本文主要研究内容

2．1 引言

2．2 试验材料

2．3 试验设备

2．4 试验方法

2．4．1 对Cu进行表面氧化膜增重处理

2．4．2 超声波激励固态母材辅助钎焊

2．4．3 超声作用下钎料的铺展润湿试验

2．5 显微组织分析

2．5．1 金相试样制备

2．5．2 微观组织观察

2．6 本章小结

第3章 超声辅助SAC305钎焊Cu的研究

3．1 引言

3．2 超声加载方式及加载位置的确定

3．3 超声作用下SAC305／Cu焊点界面连接层的生成

3．4 超声作用对焊点钎料显微组织的影响

3．4．1 钎料显微组织随超声作用时间的演变

3．4．2 超声作用对焊点显微组织影响机制

3．5 本章小结

第4章 超声激励下钎料的润湿状态及母材氧化膜的去除

4．1 引言

4．2 超声作用下SAC305／Cu的润湿状态

4．2．1 超声参数对铺展系数的影响

4．2．2 超声参数对润湿角的影响

4．3 SAC305／Cu界面的超声去膜研究

4．3．1 氧化增重法处理铜基板表面氧化膜

4．3．2 SAC305／Cu界面的超声去膜过程

4．4 SAC305／Cu界面的超声去膜机制

4．4．1 超声去膜机制

4．4．2 氧化膜破除物理模型

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢