Zn元素的添加对Sn58Bi共晶焊料合金性能的影响

摘要

在电子封装领域中，低温焊接可降低由于不同材料间热膨胀失配性所引起的热破坏性。于是，具有低熔点、润湿性好的Sn-Bi基焊料成了低温焊接所需无铅焊料之一。本文系统、深入地研究了添加Zn元素的Sn-58Bi共晶焊料样品相关性能，即对CuZn大规模剥离现象，经回流焊接和液态时效后焊点的拉伸、蠕变性能，以及经电流和热应力共同作用后焊点机械性能等方面进行重点研究。
　　CuZn的大规模剥离主要受Zn浓度的影响。在经过较长时间液态时效反应后，仅当焊料样品中Zn浓度大小达到0.67wt.％时，这种剥离行为才可能发生。和Sn-58Bi-0.7Zn块状焊料相比，大规模剥离现象更容易在小体积焊料球样品中出现。焊料样品的相关微结构演化机制可通过向Cu-Sn-Zn等温相图中引入Zn的扩散路径进行分析和解释。此外，当时效温度大于Sn-58Bi-0.7Zn块状焊料液相线温度时，Cu6(Sn，Zn)5和CuZn层间Sn的浓度会大幅度增加。这时，CuZn的大规模剥离行为就发生了。通过热力学分析可以得出，这种大规模剥离行为的发生，在一定程度上归结于Cu6(Sn，Zn)5/CuZn界面处自由能的减少，而Sn浓度是影响这个自由能减小的主要原因。另一方面，与Sn-58Bi共晶焊料样品相比，Sn-58Bi-0.7Zn焊料样品的极限拉伸强度在回流焊接和液态时效后都分别得到提升。其中，Sn-58Bi-0.7Zn焊条样品分别提升6.05％和5.50％，而焊点样品则分别提升21.51％和29.27％。Cu/Sn-58Bi-xZn焊点增强的主要原因是由于Zn的添加让Bi晶粒得到细化，使断裂面从基底和界面金属间化合物之间转移到了界面金属间化合物和焊料之间。在经回流焊接和液态时效后的矩形焊料样品中，Sn-58Bi-0.7Zn矩形焊料的抗蠕变能力也都分别明显大于Sn-58Bi矩形焊料。
　　此外，在拉伸试验期间，阳极界面位置处界面金属间化合物和富Bi层间连接性的大小会强烈影响电迁移和热时效耦合Cu/Sn-58Bi-0.7Zn焊点的极限拉伸强度。由于富Bi层的持续生长加速了孔洞和裂纹形成，而裂纹在界面中进一步传递将导致焊点拉伸强度降低。对于未加载电流应力而仅进行固态时效的焊点，在Cu-Sn-Zn/Cu-Zn界面处由Bi偏析所形成的空位及应力集聚对其极限拉伸强度会产生极大影响。耦合应力期间电流应力能造成孔洞形核，所以耦合焊点的极限拉伸强度要小于时效焊点的极限拉伸强度。对于耦合样品，通过有限元模型揭示了其阳极界面处生成的富Bi层可承担部分载荷，从而使焊点界面处的压入深度得到减小。因此，耦合样品的抗蠕变性要高于时效样品的抗蠕变性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 传统SnPb焊料

1．2 无铅焊料研究进展简介

1．2．1 无铅焊料的提出

1．2．2 无铅焊料合金的性能要求

1．3 Sn-58Bi及其复合焊料合金的研究现状

1．3．1 国外的研究现状

1．3．2 国内的研究现状

1．4 目前存在的问题

1．5 本文研究内容

第二章 实验方法与步骤

2．1 复合无铅焊料的制备

2．1．1 实验材料

2．1．2 Sn-58i-xZn无铅焊料复合焊料块的制备

2．2 基本性能的测试

2．2．1 熔点

2．2．2 密度

2．2．3 润湿角

2．2．4 界面反应

2．3 机械性能的测试

2．3．1 拉伸实验

2．3．2 纳米压痕实验

2．4 电迁移和耦合应力稳定性的测试

2．4．1 Cu线／焊料球／Cu线互连焊点样品的制备

2．4．2 耦合应力的实验

2．5 测试及分析方法简介

2．5．1 扫描电镜

2．5．2 能量分析光谱仪

2．6 本论文的研究思路

第三章 Zn浓度对时效反应及界面金属间化合物大规模剥离现象的影响

3．1 Cu／Sn-58Bi-xZn的液-固时效反应

3．1．1 合金熔化特性分析

3．1．2 液态时效反应及大规模剥离现象

3．1．3 固态时效反应

3．2 影响大规模剥离现象因素的分析

3．2．1 液-固时效反应期间焊料中Zn浓度的影响

3．2．2 Cu-Zn和Cu-Sn之间Sn平均浓度分布的影响

3．2．3 Cu6(Sn，Zn)5／CuZn界面处自由能变化的影响

3．3 小结

第四章 Zn的添加对液态时效Sn-58Bi共晶焊料机械性能的影响

4．1 Sn-58Bi-xZn焊条和焊点的拉伸特性分析

4．1．1 微观组织和DSC分析

4．1．2 回流焊接和液态时效焊条样品的拉伸特性分析

4．1．3 回流焊接和液态时效焊点样品的拉伸特性分析

4．2 室温下纳米压痕蠕变性能的研究

4．2．1 室温下Sn-58Bi共晶焊料样品蠕变性能的研究

4．2．2 室温下Sn-58Bi-0．7Zn焊料样品蠕变性能的研究

4．3 小结

第五章 耦合应力和固态时效对Sn-58Bi-0．7Zn焊点机械性能的影响

5．1 耦合及固态时效Sn-58Bi-0．7Zn焊点的拉伸特性分析

5．1．1 耦合样品的拉伸特性分析

5．1．2 固态时效样品的拉伸特性分析

5．2 耦合及固态时效Sn-58Bi-0．7Zn焊点蠕变性能研究

5．2．1 纳米压痕蠕变性能的实验研究

5．2．2 纳米压痕蠕变性能的有限元模型研究

5．3 小结

第六章 结论

参考文献

攻读博士期间完成的学术论文

致谢