高温无铅Cu--Sn焊膏的制备与性能研究

摘要

随着微电子工业的发展，电子元器件的工作环境温度越来越高，为了应对日益增长的高温电子元器件需求，新一代半导体如SiC、GaN和包装材料AlN、Si3N4已被广泛应用，但作为关键技术之一的电子封装用低成本、高性能的高温焊料的开发却进展缓慢。目前市场上可提供的高温焊料焊缝能耐300℃高温而不熔化失效的焊料有Sn-95Pb、Sn-98Pb、Au-0.28 at.％ Ge、Zn-6Al和Zn-4Al-3Mg-3.2Ga。但是铅污染环境、金为贵金属、锌铝焊料不耐腐蚀且界面润湿性能差，它们的使用均受到了很大限制。因此环保、低成本、焊缝剪切强度高且使用温度在300℃以上的焊料是市场急需产品。然而目前市场上并不能提供该类产品。
　　基于此，本论文致力于开发环保、低成本、空气中300℃焊缝剪切强度高于10 MPa且使用温度高于焊接温度的新型焊膏。本研究从焊膏的金属原料粉体出发，开展了高温无铅焊膏制备及焊件高温力学性能检测等系列研究，取得主要结果如下:
　　(1)以CuSO4溶液为母液，分别用VC和NaBH4为还原剂，PVP、阿拉伯树胶、柠檬酸铵为分散剂，采用化学还原法制备出微米级铜粉。研究了还原剂、pH值、分散剂等因素对液相法还原铜粉粒度和形貌的影响。结果表明，以VC作为还原剂，还原性受到pH值影响，pH值越高，所得铜粉粒径越小，形貌越趋于球形，产率越高，pH=8时得到铜粉颗粒大小为0.5-1μm左右。与阿拉伯树胶和柠檬酸铵作为分散剂相比，PVP的分散效果更好。强还原剂(NaBH4)还原的铜粉粒径小，颗粒在0.5μm左右，形貌趋于球形。
　　(2)研究了Cu-Sn焊膏的制备及性能。将1μm液相还原铜粉与2μm锡粉球磨混合，再加入不同种类不同量助剂F3A（非松香型）、JS-E-31（非松香型）、3A（松香型）、JS-E-15X（松香型）后球磨混合制成焊膏。研究了焊膏在氩气中煅烧过程中的物相演变和组织变化。发现，助焊剂促进了Cu-Sn焊料煅烧过程中的化学反应，有利于Cu6Sn5金属间化合物的形成，减少了残余的锡量;煅烧时间越长、煅烧温度越高产物残余锡量越少。当煅烧温度为300℃、煅烧时间为4h、助焊剂为JS-E-15松香型、添加焊剂量为13 wt.％时的煅烧产物的残余锡量最少，煅烧产物均为Cu6Sn5、 Cu3Sn、Sn三相。
　　(3)采用0.5μm的球形铜粉和2μm的球形锡粉，加入JS-E-15X助剂制成了Cu-Sn焊膏。研究了其焊接紫铜的工艺及焊缝的组织及性能。结果表明，当铜粉和锡粉摩尔比为55∶46时，焊件在300℃空气中的剪切强度超过10 MPa;焊接时，外加压力越大，焊件在300℃空气中的剪切强度越高;焊缝组织为疏松的Cu6Sn5相和致密的Cu3Sn相，提高焊缝组织致密度可有效提高焊缝高温剪切强度;焊缝的断裂方式为脆性断裂。焊接过程中锡融化为液相，有效降低焊接温度到230℃-300℃，焊接完成后锡与铜形成Cu6Sn5等化合物，保证了焊件工作温度达400℃以上。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 表面贴装技术概述

1．2．1 表面贴装技术

1．2．2 表面贴装技术的发展

1．2．3 表面贴装技术的特点

1．2．4 表面贴装工艺流程

1．3 无铝焊膏概述

1．3．1 焊粉

1．3．2 助焊剂

1．3．3 焊膏机理

1．3．4 无铅焊膏应用

1．4 高温无铅焊膏研究现状

1．4．1 Zn基合金焊料

1．4．2 Bi-Ag系合金

1．4．3 Bi基复合焊料

1．4．4 Sn-Au基合金焊料

1．5 本论文研究内容及意义

第2章 实验过程及表征

2．1 液相法还原制备铜粉

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验工艺

2．2 Cu-Sn焊料的制备

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验工艺

2．3 Cu-Sn焊膏的制备与性能测试

2．3．1 实验原料

2．3．2 实验工艺

2．4 实验设备

2．5 材料的表征

第3章 铜粉制备结果与分析

3．1 引言

3．2 结果与分析

3．2．1 pH值对铜粉的影响

3．2．2 分散剂对铜粉形貌和粒径的影响

3．2．3 还原剂的还原能力对铜粉形貌和粒径的影响

3．3 本章小结

第4章 Cu-Sn焊膏制备结果与分析

4．1 引言

4．2 结果与分析

4．2．1 助焊剂的作用

4．2．2 助焊剂的添加量

4．2．3 焊接温度与时间

4．2．4 助焊剂的种类

4．3 本章小结

第5章 Cu-Sn焊膏焊接结果与分析

5．1 引言

5．2 结果与分析

5．2．1 铜粉粒度形貌的影响

5．2．2 锡粉粒度的影响

5．2．3 锡添加量的影响

5．2．4 焊接时外加压力的影响

5．3 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢