典型纤焊体系润湿铺展动力学及微互连焊点界面微结构研究

摘要

高温硬钎焊和低温软钎焊作为先进的材料加工技术手段之一，对现代工业发展具有重要意义。无论是高温硬钎焊还是低温软钎焊，钎料在被焊金属表面的润湿铺展动力学过程对连接质量具有决定性意义。钎焊过程需要钎料在预定钎焊时间内对被连接的异种母材都充分润湿，并保证连接过程。因此，需要对钎焊过程进行高质量控制、提高接头质量，就要求对液态钎料润湿铺展进行定量的建模和预测。另一方面，随着环境保护意识的增强，全球要求电子系统封装无铅化进程进一步推进。无铅钎料工艺性能较差以及焊后可靠性不稳定是大规模工业生产时所需要克服的关键问题。本课题针对典型钎焊体系（面向高温钎焊的AgCu/TC4；面向低温钎焊和电子封装的SnAgZn/Cu）的润湿机制和 Cu基板合金化后的界面IMCs生长行为、粗化行为进行了探究。
　　本文首先设计了高纯氩气保护气氛下的AgCu钎料在TC4基板上座滴原位润湿铺展试验，对熔融金属的润湿铺展过程，以及三相线运动过程进行了实时数字化记录。研究结果表明，基板表面粗糙度对钎焊体系的润湿铺展过程只有轻微地促进作用，而温度能够改变润湿铺展过程和润湿机制。在温度为860℃时，整个润湿铺展过程可以分为四个阶段。然而，在温度为940℃时，由于更为强烈的化学反应，整个润湿铺展过程缩短为三个阶段。在860℃下，快速铺展阶段的润湿动力学由化学反应速度控制，缓慢铺展阶段由 Ti和 Cu相互扩散速度控制。然而，在940℃下，其润湿动力学由化学反应，溶解和扩散至固体（diffusion into the solid）三者共同作用控制。
　　进一步，系统地研究了Sn-3Ag-xZn无铅钎料(x=0.4,0.6,0.8,1,2和4 wt.％)的微观组织，热性能和润湿铺展动力学。研究结果表明，少量的Zn含量（Zn wt.%≤1 wt.%）对钎料的微观组织形貌几乎没什么影响，其微观组织由β-Sn相和Ag3Sn，δ-AgZn颗粒组成。然而，随着Zn含量的增加，β-Sn相的体积分数减小，金属间化合物的数量增加。随着Zn含量的进一步增加，微观组织结构发生明显地改变，在Sn-3Ag-2Zn钎料中形成了γ-AgZn相，在Sn-3Ag-4Zn钎料中形成了ε-AgZn相。随着Zn含量的增加，Sn-3Ag-xZn钎料的熔点和过冷度都先降低后升高。Sn-3Ag-1Zn钎料表征出最小的熔点（228.13℃）和过冷度（13.87℃）。主润湿阶段的润湿动力学遵循幂率函数Rn～t(n=1)，表明其润湿机制由三相线处的化学反应控制。
　　最后，制备了四种润湿反应层（Cu, Cu-8Zn, Cu-15Zn和Cu-30Zn）与SAC305钎料回流后的钎焊接头，讨论了Cu基板合金化对钎焊接头界面IMCs的生长行为和Cu6Sn5晶粒的粗化行为的影响。研究结果表明，回流之后，扇贝状的Cu6Sn5形成于SAC305/Cu界面。随着时效时间的增加，在SAC305/Cu界面观察到Cu6Sn5和Cu3Sn的双层结构，Ag3Sn颗粒嵌入在Cu6Sn5上，并在Cu3Sn层检测到了柯肯达尔空洞的存在。然而，在SAC305/Cu-Zn界面，Cu6Sn5为主要的反应产物，且没有观察到Cu3Sn和柯肯达尔空洞的存在。IMCs层的厚度随着时效时间的增加而增加。相比于SAC305/Cu，Zn元素的添加能够有效地抑制IMCs层生长。在时效过程中， SAC305/Cu， SAC305/Cu-8Zn， SAC305/Cu-15Zn和SAC305/Cu-30Zn的IMCs层的生长速率常数分别为7.78×10-17，5.42×10-17，2.51×10-17，和1.46×10-17 m2s-1。Cu6Sn5晶粒的平均直径随着时效时间的增加而增加。SAC305/Cu，SAC305/Cu-8Zn，SAC305/Cu-15Zn和 SAC305/Cu-30Zn钎焊接头界面 Cu6Sn5晶粒的平均直径和时效时间的关系分别为d=1.49t0.237，d=1.46t0.204，d=1.43t0.203，和d=1.71t0.197。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及研究的目的和意义

1.2 润湿铺展研究概述及研究现状

1.3 Sn-Ag系列低温无铅钎料的研究现状

1.4 研究内容

第2章 AgCu/Ti-6Al-4V钎焊体系的润湿铺展动力学

2.1 引言

2.2 实验材料及实验方法

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 Sn-3Ag-xZn微观组织，热性能和润湿动力学研究

3.1 引言

3.2 实验材料及实验方法

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 Cu基板合金化对互连焊点界面微结构的影响

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果