Sn58Bi-GNSs复合无铅焊料及其金属间化合物Ni3Sn4的性能研究

摘要

在现代微电子工业中，Sn58Bi低温无铅焊料被广泛地应用在低温敏感性器件的封装领域中。石墨烯(GNSs)由于其极高的机械强度、优良的电学性能和热学性能，被认为是增强相的最佳选择之一。随着电子产品的微型化和集成化，Sn58Bi无铅焊料在芯片端与Ni基板反应产生的金属间化合物Ni3Sn4在焊点中逐渐占据着更大的体积比例也受到了广泛的关注。本文通过将石墨烯作为增强相添加到Sn58Bi焊料中制备了Sn58Bi-GNSs复合焊料，测试了复合焊料的微观结构、润湿性、抗腐蚀性能，对其抗拉伸和抗蠕变等机械性能，以及在100℃固态时效条件下的微观结构和机械性能进行了研究。同时通过第一性原理的方法对Ni3Sn4的结构、弹性性能、电子结构以及Cu元素的添加对其稳定性和各项性能的影响进行了系统研究。 研究结果表明石墨烯纳米片的添加对Sn58Bi焊料的微观结构起到了很好的细化作用并提高了复合焊料的润湿性和抗腐蚀性能。拉伸和硬度测试表明GNSs的添加使得复合焊料的极限拉伸强度和硬度提升多达14%和38%，同时在添加0.01wt.%GNSs后焊料的延展性提升了49%，带来了脆性到韧性断裂的转变。纳米压痕测试结果表明蠕变机制的转变提升了Sn58Bi-GNSs复合焊料的抗蠕变性能。综合性能来看，0.01wt.%GNSs的添加起到了最好的增强效果。 经过长达360h的固态高温退火处理，GNSs的添加抑制了Sn58Bi-GNSs复合焊料的结构和机械性能呈现出的粗化和降低现象，并在添加0.03wt.%GNSs时抗拉强度和弹性模量分别提升了15%和24%，同时石墨烯的添加有效地抑制了断裂面裂纹的产生和生长。此外，硬度和抗拉强度呈现出线性的关系，表明焊料的机械稳定性主要由微观结构所控制。 通过理论计算，研究了掺杂不同浓度Cu元素的三元金属间化合物Ni3-xCuxSn4(x=0,0.5,1,1.5)的结构、弹性性能和电子特性。结果表明Cu原子更容易占据Ni的4i位置形成热力学稳定的金属间化合物，同时晶格常数的变化表明了体系的原子结合力变化的取向性。通过计算单晶弹性常数得到的弹性模量随着Cu原子的掺入呈现下降的趋势，但是杨氏模量和剪切模量的各向异性都得到了有效的削弱，Zener各向异性指数表明21.4at.%Cu原子的添加将各向异性降低了13.4%，提高了其在电路中的可靠性。电子态密度和电荷密度图的分布表明体系中Cu-Ni，Ni-Sn和Cu-Sn结合力的改变影响着所有性质的变化。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 Sn58Bi无铅焊料的发展现状

1.2.1 无铅焊料的种类和应用

1.2.2 Sn58Bi无铅焊料的性能

1.2.3 增强相对Sn58Bi无铅焊料的影响

1.3 石墨烯作为增强相的复合无铅焊料

1.3.1 石墨烯简介

1.3.2 石墨烯的添加对焊料性能的影响

1.4 金属间化合物Ni3Sn4的研究进展

1.4.1 金属间化合物Ni3Sn4的结构

1.4.2 金属间化合物Ni3Sn4的性能

1.5 计算材料学的发展现状

1.6 本文主要研究内容

第2章 实验内容与计算方法

2.1 复合焊料的制备

2.2 表征手段

2.2.1 焊料合金物相的表征

2.2.2 焊料合金形貌的表征

2.2.3 焊料合金成分的表征

2.3 实验方法

2.3.1 拉伸实验

2.3.2 润湿性实验

2.3.3 腐蚀率实验

2.3.4 纳米压痕实验

2.4 计算方法

2.4.1 计算软件与参数

2.4.2 弹性常数的计算

2.4.3 弹性各向异性的计算

第3章 GNSs纳米片的添加对Sn58Bi焊料性能的影响

3.1 复合焊料成分及微观结构分析

3.2 拉伸实验结果分析

3.2.1 GNSs对复合焊料拉伸性能的影响

3.2.2 GNSs对复合焊料断裂模式的影响

3.3 润湿实验结果分析

3.4 腐蚀实验结果分析

3.5 纳米压痕实验结果分析

3.6 本章小结

第4章 固态时效下GNSs的添加对Sn58Bi焊料性能的影响

4.1 复合焊料时效后的物相分析

4.2 复合焊料时效后微观形貌演化分析

4.3 拉伸实验结果分析

4.3.1 时效下GNSs对拉伸强度和弹性模量的影响

4.3.2 时效下GNSs对延展性的影响

4.3.3 时效下GNSs对断裂面的影响

4.4 纳米压痕实验分析硬度和强度的关系

4.5 本章小结

第5章 Cu元素的添加对Ni3Sn4金属间化合物性能的影响

5.1 (Ni,Cu)3Sn4金属间化合物的基态性质

5.2 (Ni,Cu)3Sn4金属间化合物的弹性性质

5.2.1 弹性常数

5.2.2 弹性性能

5.2.3 弹性各向异性

5.3 (Ni,Cu)3Sn4金属间化合物的电子特性

5.3.1 电子态密度

5.3.2 电荷密度

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢