（材料加工工程专业论文）sn9zncu焊点界面显微组织演变及纳米压痕性能研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t g 4 5 4 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d y o fi n t e r f a c i a lm i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o na n dn a n o i n d e n t a t i o n p r o p e r t i e so f s n - - 9 z n c uj o i n t s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e d f o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： c h e n y o n g s h e n g m e n gg o n g g e m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 2 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( s n 9 z n c u 焊点乔面显微组织演变及纳米压痕性能研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：1 姆郐哆日期：l 埠d 3 月1 7 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书s n 9 z n c u 焊点界面显微组织演变及纳米压痕性能研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口，在年解密后适用授权书。不保密团。( 请在以上相应方框内打)作者签名：舭刷谧轹锄日期：k 年码月f 日日期：扮p 年；月，7 日 哈尔滨理工大学工学硕：t 学位论文 s n 。9 z n c u 焊点界面显微组织演变及纳米压痕 性畿研究 摘要 隧着微电子产器不断向小型化、便携化和高性熊方自发展，焊点尺寸在减 小，其所承载的力学、电学和热力学负荷却越来越重。s n - z n 系无铅钎料具有 熔点低，价格低廉，无毒性等特点，是最有潜力的无铅钎料之一。本文依据电 子行业无铅钎料的发展需要和对力学性能的要求，开展焊点尺寸变化对s n 9 z n 无铅钎糕界面可靠性窥s n - 9 z n 钎料力学性能的研究，对无铅钎料斡进一步开 发与实用价值是十分有益的。 本文采用s n - 9 z n 焊料，研究时效和多次回流弹条件下三释b g a 球尺寸 ( 1 0 0 0 l t r n ，7 0 0 1 a m ，5 0 0 1 x m ) s n - 9 z c u 焊点的界面反应和微观组织变化。用纳 米压痕法测定了s n 9 z n c u 焊点力学性能参量弹性模量和蠕变应力指数 成占 奇。 时效试验的研究结采表踞：焊点尺寸对s n - 9 z n c u 焊点界面化合物的类型 和厚度影响较大。焊点直径从1 0 0 0 啦n 到5 0 0 p m 变化时，使钎焊界蘧处金属间 化合物由c u s z n s 变为c u s z n s 和c u z n 化合物；i m c 形貌由扁平状变为断续的 条状；焊点尺寸的减小对i m c 厚度增长有明显熬约束作用。 多次回流焊研究表明，焊点尺寸对多次回流焊盾界面i m c 类型没发现影 赡，多次圆流焊使焊点内部均发生骧显鳇组织粗纯，i m c 影状由平壹状逐渐过 渡为体钎料一侧界丽化合物凹凸不平。 纳米压痰试验结果表蜗：s n - 9 z n c u 焊点中体钎糕的压痕硬度帮弹性模量 分为o 1 8 9 - a ：0 0 1 7g p a 和1 7 2 8 7 生0 8 5 2 g p a ；金属间化合物c u 5 z n 8 的压痕硬度 霜弹性模量分为5 0 31 圭。2 3 4 g p a 和10 4 。10 0 生0 9 5 4 g p a 。此井，基于压痕徽功 概念计算得到了描述材料蠕变行为的重要参量蠕变应力指数刀，体钎料的蠕变 应力指数嚣约舞5 。1 2 8 。 关键谲s n - 9 z n ；界面佬合物；纳米压痕 显微组织 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 攀詈暑皇詈皇皇燃篇詈詈詈詈詈篁黛邕署皇皇鲁鲁喜躺拦暑暑昌昌鲁篁霉i l l l l i l l m 鬻暑昌暑暑暑= 篁黑= 暑詈詈詈曹燃攀霉皇皇皇詈鲁黛篇皇穹暑詈詈篁簟篇暑詈詈皇詈篁懋攀皇詈富= 詈e s 繁 s t u d yo f i n t e r f a c i a lm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n d n a n o - - i n d e n t a t i o np r o p e r t i e so fs n - - 9 z n c uj o i n t s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i cp r o d u c t sb e c o m i n gm o r ep o r t a b l e m i n i a t u r i z a t i o na n dh i g hp e r f o r m a n c e ，t h es i z eo fs o l d e rj o i n t si sd e c r e a s i n g ，w h i c h c a u s e st h em e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n dt h e r m a ll o a dg e t t i n gm o r ea n dm o r eh e a v i e r 。 t h es e r i e so fs n z nl e a d f r e es o l d e ri so n eo ft h em o s tp o t e n t i a lc a n d i d a t e s ，w h i c h h a sl o wm e l t i n gp o i n t , l o wc o s ta n dn o n - t o x i c ，e t c 。i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c si n d u s t r y a n dr e q u i r e m e n t so nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fl e a d - f r e es o l d e r , t h es t u d yo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e r e l i a b i l i t yo fs n - z n c uj o i n t s 诚t l ld i f f e r e n ts i z e sh a sb e e nd o n e ，w h i c hi se x t r e m e l y s i g n i f i c a n ta n du s e f u lt ot h ei m p r o v e m e n to fl e a d - f r e es o l d e r i nt h i sp a p e r , s n 一9 z ns o l d e rw a sa d o p t e dt os t u d yt h ei n t e r r a c i a lr e a c t i o n sa n d t h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g e si ns n - 9 z n c uj o i n t sw i 也t h r e eb g ab a l ls i z e ( 1 0 0 0 ，7 0 0 ， 5 0 0 ”m ) u n d e rt h ea g i n ga n dm u l t i - r e f l o wc o n d i t i o n s m o d u l u so fe l a s t i c i t ya n d c r e e ps t r e s se x p o n e n to fs n 一9 z n c uj o i n th a s b e e nm e a s u r e db yn a n o - i n d e n t a t i o n t h er e s u l to ft h ea g i n gt e s ts h o w st h a tt h es o l d e rj o i n t ss i z eh a sag r e a ti n f l u e n c e o nt h et y p ea n dt h i c k n e s so f s n - 9 z n c ui n t e r f a c i a lc o m p o u n d s w i mt h es o l d e rs i z e d e c r e a s i n gf r o ml0 0 0 9 mt o5 0 0 1 x r n ，t h ei m co ft h ei n t e r f a c ec h a n g e sf r o mc u s z n st o t h em i x t u r eo fc u 5 z n sa n dc u z n ；t h ei m cm o r p h o l o g yv a r i e sf r o mf l a tt o i n t e r m i t t e n ts t r i p s ；t h ed e c r e a s eo ft h ej o i n t ss i z er e s t r i c t st h eg r o w t ho ft h ei m c t h i c k n e s s t h em u l t i - r e f l o we x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a te v e nt h o u g ht h et y p eo fl m cd o e s n t c h a n g ew h e nt h ej o i n t ss i z ed e c r e a s e s ，t h ei n t e r n a ls t r u c t u r ec o m e st oc o a r s e n i n g o b v i o u s l ya f t e rm u l t i - r e f l o w , w h i l et h et h i c k n e s so fi m ci n c r e a s e s a l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo fr e f l o wt i m e s t h en a n o - i n d e n t a t i o ne x p e r i m e n t si l l u s t r a t et h a tt h ei n d e n t a t i o nh a r d n e s sa n d e l a s t i cm o d u l u so fc u s z n sa r e5 0 31 士o 2 3 4 g p aa n d10 4 10 0 - a ：o 9 5 4 g p ar e s p e c t i v e l y ， 哈尔滨理正大学工学硕：t 学位论文 t h ei n d e n t a t i o nh a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u so f b u l ks o l d e ra r e 0 18 9 - 土0 017 g p aa n d 17 。2 8 7 走0 8 5 2 g p ar e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，t h ec r e e ps t r e s se x p o n e n to fs n 一9 z n c u b u l ks o l d e ro b t a i n e df r o mc u r v e sw i t l lt h ec o n c e p to f w o r ko f i n d e n t a t i o n i s5 1 2 8 k e y w o r d ss n - 9 z n , i n t e r r a c i a lc o m p o u n d s ，n a n o i n d e n t a t i o n ，m i c r o s t r u c t u r e 哙尔滨理工大学工学硕二学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 。，。，。i i 第l 耄绪论l 1 1 无铅钎料的研究现状1 1 2s n z n 无铅钎料的研究2 1 3s n z n 无铅钎料界面反应3 1 4 尺寸效应对焊点可靠性的影响3 1 5 纳米压痕法分析力学性能5 1 6 主要研究内容6 第2 耄试验材料与方法7 2 1 引言7 2 2 试验过程概述7 2 3 材料及焊点制备7 2 3 1 钎料熔炼7 2 3 2 熔球8 2 3 3 回流焊9 2 4 试验方法与设备1 0 2 4 。l 等温时效1 0 2 4 2 多次回流焊1l 2 4 3 纳米压痰试验一li 2 5 本章小结1 2 第3 章焊点尺寸对时效着s n 一9 z n c u 界面i m c 影响1 3 3 1 引言13 3 2 时效后s n 一9 z n c u 界面i m c 类型分析1 3 3 3 时效后s n 9 z n c u 界面i m c 形貌分析l5 3 4 时效后s n 9 z n c u 界面i m c 厚度分析1 6 3 。5 本章小结。l8 第4 章焊点尺寸对多次圈流焊后s n 9 z n c u 界面i m c 影响1 9 4 1 弓l 言一l9 晗尔滨理工大学工学硕：学位论文 4 2 多次回流焊后s n 9 z 彬c u 界面i m c 类型分析1 9 4 3 多次回流焊后s n 9 z n c u 界面i m c 形貌分析2 3 4 4 本章小结2 5 第5 章s n 9 z n c u 焊点的纳米力学性能2 7 5 1 引言2 7 5 2 纳米压痕法的基本原理2 7 5 3s n 9 z n c u 焊点的压痕蠕变测试结果2 9 5 4 压痕硬度和弹性模量测试结果分析3 2 5 。5 本章小结3 4 结论。3 5 参考文献3 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文3 9 致谢4 0 哙尔滨理工大学工学硕：学位论文 1 1 无铅钎料的研究现状 第1 章绪论 美国、欧盟等国家对无铅的定义仍存在争议，匿前尚未有的统一标准。通 常电子行业说的“无铅”，是指电子元器件中铅的质量分数低于o 1 。一般而 言，合金必须满足导电性能、力学性能和具有适宜的熔点。市场上广泛应用的 无铅钎料通常是以s n 为主要成分，添加其它少量金属如n i c u a g b i z n 等构 成二元或多元合金。世界范围内，已研究和发展成熟的无铅钎料体系有s 稳。 a g 、s n c u 、s n z n 、s n b i 、s n i n 、s n s b ，其优缺点见表1 11 1 - 5 1 。 表1 1 各种无铅钎料的主要性能比较 t a b 。l lp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fl e a d f r e es o l d e ra l l o y s 钎料系 熔化温度( 。c ) 优点缺点 s n 3 7 p b1 8 3 良好的综合性能组织易粗化，易蠕变 s n 一3 5 a g 2 2 l 高强度，抗蠕变熔点偏高，成本较高 s n 9 z n1 9 8 。5 强度较高润湿性差，不耐腐蚀，易氧化 s n 5 7 b i1 3 9 高流动性应变速率敏感，润湿性差 s n 5 l l n1 2 0 润漫性良好 熔点太低，塑性熬，成本较高 s n 一5 s b 2 4 5 抗蠕变，强度商 熔点太高 s n 0 ，7 c u 2 2 7高强度，抗蠕变熔点偏焘 对于s 魏。s b 系和s n 融系合金的研发还没有得到研究人员的认可：s n s b 系共晶合金的熔点约高于s n p b 合金熔点6 0 ；s b 金属可以对人身体造成危 害，且添加s b 使钎料不易在c u 基板上润湿，导致性能劣化。s n - i n 系共晶合 金的熔点与s n p b 钎料相比约低6 0 ，但合金的蠕变性能低，具有在熔炼时容 易被氧化等缺点；金属l n 的价格较高，加入后使成本提高，不利于电子行业 上广泛应用。s n b i 系合金的最大优点是熔点和价格很低，其中添加过量的b i 会出现凝固偏析和b i 的粗化结晶，导致延展性差。s n c u 系合金已经被大多 数研究者深入研究。因为其强度和可焊性好，且价格便宜，作为波峰焊用的钎 料投入市场后反应良好1 5 1 。 尽翦在s 魅c u a g 系合金是电子行业应用最广的种无铅钎料，它是在s n 哈尔滨理正大学工学硕士学位论文 c u 钎料基础上发展起来的，具备s n - c u 钎料的一切优点，从钎焊工艺和可靠性 方面企业公司多考虑选用这种钎料。s n - a g c u 合金应用广泛，欧盟推荐的成分 为s n - 3 8 a g - 0 7 c u ，美国n e m i 推荐的成分为s n - 3 。9 a g - 0 6 c u ，以及日本j e i t a 推荐的成分为s n - 3 0 a g - 0 5 c u t 6 - 9 i 。 1 2s n z n 无铅钎料的研究 s n - z n 系合金被认为是最有希望替代传统s n - p b 钎料的无铅钎料之一。根 据s n z n 相图，z n 在共晶点处成分为8 9 ( 熔点为1 9 8 c ) ，是熔点最接近s n p b 钎料( 熔点1 8 34 c ) ，当s n - z n 合金中z n 的质量分数高予8 9 后，合金的韧性变差 和熔点升高，所以通常选择研究s n 9 z n 无铅钎料。因此s n - z n 无铅钎料可以采 用现行的工艺参数，不需要对焊接设备进行大的参数调整。s n - z n 系无铅钎料 的拉伸强度，蠕变抗力和热疲劳性能都l l s n p b 钎料优越。同时，主要原材料 s n 、z n 的分布广泛，储量丰富，成本不高，无毒副作用，这些都是其他无铅钎 料不能比拟的1 1 0 - b 】。表】- 2 是金属元素的氧化物及各种氧化物在不问温度下形成 的自由能 1 4 】。 表l 。2 金属元素形成氧化物所霈的自由能 t a b 1 2m e t a le l e m e n t si nt h ef o r m a t i o no f t h ef r e ee n e r g yo f o x i d e s 氧化物 ag o f ；( r o l ga t o m 锇 2 9 8 k4 0 0 k5 0 0 k 6 0 0 k z n o0 1 8 。6- 3 1 2 8艺9 8 。52 8 8 。9 s n 0 2 2 6 0 22 4 9 72 3 9 72 2 8 7 s b 2 0 s 2 0 8 11 9 8 。9 1 8 9 91 8 l 。o i n 2 0 s 1 8 0 5 1 7 1 7 p 的1 1 8 。81 7 8 。8 一一1 6 8 7 1 5 9 。5 b i 2 0 s 1 6 5 71 5 6 51 4 7 7 1 3 8 3 c u o1 2 9 。41 1 9 。71 l l 。o 1 0 1 。7 a 9 2 0 1 0 53 82 58 8 由表可知，z n 是几种电子钎焊材料中形成氧化物所需自由能最低的元 素，自由能越低表骥越易形成该氧化物，丽且所形成的氧化物也越稳定。实验 室中通常采取氮气等做为保护气体来降低钎料：表面的氧化，以此作为提离s n 。 z n 钎料润湿性的一种手段，但这会使成本增加。研究数据表骧引起s n 9 z n 钎 哈尔滨理工大学正学硕士学位论文料润湿性差的原因有两个：回流焊时由于加热区的温度较高，z n 易生成比较稳定的z n o ，阻止了液态钎料与c u n i 基板的反应接触；二是由于添加酶z n易氧化成为表面张力较大的z n o ，会导致钎料整体表面张力的增加。1 3s n z n 无铅钎料界面反应熔融的钎料与基板金属( c u ) 发生的反应有两种：一种方式是基板金属如c u或n i 向液态钎料溶解；另一种是液态钎料良基板金属c u 或n i 扩散。钎焊时界面金属间化合物( i m c ) 的形成是钎焊工艺能够实现金属连接和电连接的主要前提。电子元器件失效大多数是由于焊点失效弓| 起的，随着人们对焊点失效机制的不断了解，人们逐渐意识l m c 是韧脆相，存在过厚的i m c 会对焊点的长期可靠性产生不利影响。因为金属间化合物与钎料的力学性能不同，在热疲劳载荷作用下导致焊点疲劳寿命降低，焊点内部出现的裂纹通常萌生于钎料与金属间化合物层界面处。西华大学郭萍等人f 1 5 l 对s n 9 z r g c u 焊点时效l 后进行研究表明：从铜基板向体钎料方向依次产生平直的金属间化合物1 , - c u 5 2 1 1 8 和 ；- c u z n 相，且i m c 厚度随着时效时间的增加而增厚。s u g a n “m a 等1 1 6 1 报道在s n 9 z n c u 焊点由焊料向c u 基板界面上形成的化合物依次为7 - c u s z n 8 ， ；- c u z n 以及一种c u - z n 的混合楣，在界面i m c 处没有发现任何含s n 的化合物。l e e 等人澎均研究结采表明：s n - 9 z n c u 焊点的界面上化合物类型只有一种c u 5 z n 8 相，且c u s z n 8 厚度会随着重熔时间的延长而增加。1 4 尺寸效应对焊点可靠性的影响随着b g a 、倒装焊封装等封装技术的发展，电子产品中的焊点体积越来越小，由于焊点尺寸的微小变化，使得这些以前看上去比较细微的组织变化开始起着越来越重要的影响，关于微电子封装焊点的几何尺寸依赖现象近年来也已引起国内外学者的广泛关注。台湾c e h o 等人f 1 8 1 研究发现由于b g a 球体积( 7 6 0 p x n ，5 0 0 1 u n ，3 0 0 9 m )不同，图1 1 为不同体积s a c 3 0 6 c u 焊点的i m c 形貌，( a - e ) 与( d - f ) 分别为钎料球与n i c u 焊盘焊接时间9 0 s 和2 0 m i n 的界面反应图。在单侧n i 焊盘上与体钎料反应产生的金属化合物类型也不同见图1 1 ，且c u 含量不同对在单侧n i 焊盘上 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 i m c 的大量剥落也有影响。 s w i e s e 等人研究尺寸因子对s n a g c u 焊料蠕变性能的影响，发现大块式 样蠕变行为遵循简单的幂定律，而小体积的倒装芯片u b m 材料决定蠕变性 能。 一一一 华南理工尹立孟等人【2 0 】通过采用直径( 2 0 0 - 4 7 5 9 m ) 和高度( 7 5 - - 一5 2 5 1 a m ) 的 c u 丝钎料c u 丝结构模拟微互连焊点，进行准静态微尺度焊点拉伸的力学行为 研究，总结出焊点具有“越小越强”的“体积”尺寸效应。 吉林大学张思华等人【2 1 1 通过合理的假设，根据熔化温度的模型和扩散公 式，建立了尺寸依赖的扩散系数模型，得到随着尺寸的减小，扩散激活能在减 小，导致扩散系数呈幂的方式增加。 哈工大林鹏荣、田艳红等人【2 2 2 3 1 研究结果表明：微焊点力学性能的体积效 应显著，重熔及老化条件下微焊点的剪切强度随焊点体积的减小而增大，断裂 模式也存在显著差异，金属间化合物的形貌和分布对焊点的断裂行为有显著的 影响。 华中科技大学王波【2 4 1 等人的研究表明：微焊点( 互联高度l o o p x n 1 0 1 u n ) 的微 观组织及力学性能的变化与互联高度密切相关，当互联高度降低至l o l - u n 后， 断裂方式由韧性断裂变为解理断裂。 a h m e ds h a r i f 等人【2 5 1 研究表明：不同体积的钎料球( 直径5 0 0 1 t m 和7 6 0 啦n ) 会 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 对液态钎料与c u 基板之间的反应产生巨大影响，在回流焊过程中c u 层的溶解 程度和生成i m c 层厚度会根据钎料球直径的不同而有所变化。其中原因分析可 能是焊点直径5 0 0 1 a m 时，扩散路径较短，液态钎料与c u 基板的相互扩散迅速， 导致焊点直径5 0 0 1 m a 的i m c 厚度大于焊点直径7 6 0 1 a n 的i m c 层厚度。 1 5 纳米压痕法分析力学性能 目前，大多数研究者对无铅钎料的研究主要集中在金属间化合物生长对焊 点性能的影响，而研究金属间化合物力学性能的却很少见，原因是金属间化合 物的尺寸较小，传统测试手段难以满足要求。近年来发展起来的纳米压痕法为 测量微小体积焊点的力学性能提供了可能。纳米压痕测试仪具有极高的位移和 载荷的分辨率，可以精确测量压痕载荷随压入深度的连续变化，所以特别适合 于小载荷、浅压深的材料力学性能测试。其主要通过测量加卸载过程中压头作 用力与载荷深度得到的p - h 曲线，需要通过对压痕p - h 曲线进行物理反解析计算 获得样品的硬度、弹性模量和蠕变性能等力学性能参数。 哈尔滨工业大学王学林等【2 6 1 也对富s n 相、c u 6 s n 5 和a 9 3 s n 化合物进行了纳 米压痕测试，测试结果表1 3 所示，研究发现纳米压痕硬度规律是：富s n 相 共晶组织a 9 3 s n c u a s n c t h s n 5 ，弹性模量规律是：富s n 相 共晶组织 a 9 3 s n c u 6 s n s c u 3 s n 。 表1 3 纳米压痕测试结果 t a b 1 - 3n a n o i n d e n t a t i o nt e s tr e s u l t s 名称 压痕硬度g p a 弹性模量g p a c u 3 s n 6 21 3 2 8 。 c u 6 s n 5 6 3l1 6 1 一 a 9 3 s n 2 27 3 3 共晶组织 0 34 7 1 富s n 相 0 1 94 3 8 哈工大的王凤江2 7 】等人指出：对微小尺寸s n a g c u 焊点力学性能进行力 学研究时，发现评价大尺寸体钎料力学性能的常规蠕变和拉伸实验将不再适合 应用于微小尺寸焊点，研究中采用纳米压痕法推导出小尺寸焊点相关的力学性 能参数。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 天津大学的张圜尚等人【2 8 】基于压痕做功概念得到的8 0 a u 2 0 s n 焊料蠕变应 力指数与传统蠕变测试方法得到的结果基本一致，证骥了该测试和分析方法可 行。 1 6 主要研究内容 国内外对s n z n 钎料的研究方向，关于如何改善润湿性的文章较多，解决 办法逶常考虑添加其它金属或者研发新型钎荆以改善润漫性，本论文根据国内 外在s n 9 z n c u 焊点尺寸效应及对s n 9 z n 钎料纳米力学性能分析方面研究的 不足，研究内容有已下凡个方面。 1 对不同尺寸焊点进行时效试验研究，研究焊点尺寸对时效后s n - 9 z n c u 焊点界面显微组织的影响； 2 研究烽点尺寸对多次回流焊后s n - 9 z n c u 焊点界面金属问化合物类型及 形貌变化的影响； 3 。采用纳米压瘦方法，研究s n - 9 z n c u 焊点中体钎料的蠕变疲力指数，探 讨体钎料和金属间化合物c u 5 z n 8 的弹性模量对无铅焊点可靠性的影响。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章试验材料与方法 s n p b 焊料曾经被广泛的应用在电予行业领域，其中p b 具有毒性，已经 禁丘含铅钎料的使用，s n - z n 具有价格便宣等优点，是电子彳亍业公认的最有潜 力的无铅钎料之一，我国电子行业使用无铅钎料历史还比较短暂，尤其是s n 。 z n 系钎料及其焊点可靠性的研究相对西本等发达国家起步较晚。纳米簸痕法 是分析材料力学性能的一种新方法、新途径，困外研究者提出通过分析获得压 入载荷与压入深度之间的连续曲线只磊曲线获得材料压痕硬度、弹性模量等力 学性能参量。 2 2 试验过程概述 基本试验过程如下：首先，熔炼s n 9 z n 钎料；其次，制备不同尺寸 ( 1 0 0 0 1 x m ，7 0 0 1 t m ，5 0 0 0 m ) 焊点；再次，将一批不同尺寸焊点放置在恒温老化 炉中进行老化，一批不同尺寸焊点进行多次回流焊试验：最后，通过扫描电子 显微镜( s e m 和e d x ) 观察不同体积焊点的界面微观组织形貌、界面化合物 类型等，并盈用纳米压痕法获 | 导直径1 0 0 0 箨r ns n - 9 z n c u 爆点的力学性能参 数。 2 3 材料及焊点制备 2 3 。1 钎料熔炼 制备s n - 9 z n 钎料合金1 0g ( z n 的质量分数8 9 ) ，钎料中的s n 为纯度 9 9 9 9 粒状颡粒，z n 为纯度9 9 9 9 的颗粒状。分别按照成分设计要求用精度 为0 。0 0 1 9 的电子天平称取各秘原料。 因为试验用的钎料量比较少，所以钎料的制备采用石英管作为装钎料合金+ 的载体，s n 和z n 是加热时容易氧化的金属元素，所以氩气作为保护气体而通 入石英管。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 向石英管中加入s n 粒和z l l 块。提前送气将试管中的空气排除掉，然后启 动高频感应加热机进行合金的熔炼，持续加热3 分钟左右并进行多次重熔。熔 炼过程示意照片见图2 1 。 a ) 熔炼设备b ) 熔炼过程 图2 1 电磁感应加热仪及熔炼过程 f i g 2 1e q u i p m e n t a n d p r o c e s so f m e l t i n g 2 3 2 熔球 用小刀将熔炼后的s n 9 z n 钎料切成小块状，在铝板上涂助焊膏。随后将 细小的块状钎料放到铝板上，用助焊膏覆盖住切好的钎料。熔球所用的大型自 动回流焊炉r 3 4 0 c 如图2 - 2 a ) 所示，开启大型自动回流焊炉，设定炉内温度 2 8 0 。c ，并空载运行1 0 分钟以使炉内温度均匀。 a ) 大型自动回流焊炉r 3 4 0 cb ) 制备好的焊球 图2 - 2 焊球及制作设备 f i g 2 - 2s o l d e rp o ta n ds o l d e rb u m p s 将铝板从大型自动回流焊炉入口放入，使其在炉内传送带上缓慢前行，以 达到预期的加热、冷却。由于助焊膏将钎料与空气隔绝开来，且钎料不与铝板 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 反应，熔融的钎料在助焊膏里要保持最大的表面张力，因此初始的小块状钎料 自动变成小球状，冷却一段时间( 约2 分钟) h p 得到s n - 9 z n 焊球j 将铝板从大型 自动回流焊炉r 3 4 0 c 出口取出，并将s n 9 z n 焊球取下，放入盛有无水乙醇的 烧杯中。用游标卡尺测直径，将焊球分类如图2 2 ( b ) 所示，选取直径为 1 0 0 0 1 u n 、7 0 0 1 u n 和5 0 0 1 u n 的小球作试验用。 2 3 3 回流焊 回流焊所用的小型自动回流焊炉t 2 0 0 + 女i 图2 3 所示，它是单区多段式控 制，共有4 0 个温区，可以根据实际情况选择设定每段的温度和持续时间。通 过红外线与热风微对流方式加热，通过轴流风机冷却。准备好的b g a 球直径 为10 0 0 1 1 m ，7 0 0 i u n ，5 0 0 1 肛n ；b g a 焊盘材料为c u ，厚度1 2 p m 左右，钎料球 直径焊盘直径约为1 2 ：1 。 先将p c b 板放在无水乙醇中用超声清洗机清洗如图2 4 所示，以去除表面 的污染物，避免其干扰试验结果。然后在焊盘上均匀的涂上一层助焊膏，取不 同尺寸的s n 9 z n 焊球放在相应焊盘上，仔细调整位置以使其与p c b 上的c u 焊盘良好对应。向回流焊炉输入已编好的回流温度曲线程序后，将p c b 板放 入回流焊机内对其进行焊接，冷却后用超声清洗机清洗表面助焊剂，得到不同 尺寸s n 9 z n c u 焊点。 图2 3 小型自动回流焊炉t 2 0 0 +图2 - 4 超声清洗机 f i g 2 - 3r e f l o ws o l d e r i n ge q u i p m e n tt 2 0 0 + f i g 2 - 4u l t r a s o n i cc l e a n i n gm a c h i n e s n 9 z n 焊料的熔点为1 9 8 ，回流焊温度曲线包括预热区，回流焊区和冷 却区三个阶段，参考试验室课题组已有的回流焊工艺曲线，经多次试验优化后 得到如图2 5 所示的回流曲线，其中峰值温度为2 3 8 ，液相线以上时间为 1 0 8 s 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 4 试验方法与设备 2 4 1 等温时效 、 、l 、 7 ， 0 ss1 0 0 $1 5 0 52 0 0 52 5 0 5t 0 0 53 5 0 54 s4 5 0 5 图2 5 回流焊工艺曲线 f i g 2 5r e f l o wp r o c e s sc u r v e 时效试验中，焊点在1 5 0 ( 2 条件下老化2 1 6 小时，所用箱式电阻炉如图2 - 6 所示。首先将不同直径s n - 9 z n c u 焊点( 1 0 0 0 p a n ，7 0 0 9 i n ，5 0 0 v x n ) 都采用冷镶 嵌的方法制成试样，用适当比例( 3 ：5 ) 的牙托粉和牙托水进行搅拌后镶嵌不同尺 寸焊点。其次先后采用8 0 # ，2 0 皑，5 0 0 # ，1 0 0 0 # ，2 0 0 0 # 金相水砂纸进行研 磨。当使用砂纸时，把磨面用酒精清洗干净，以免上一目砂纸磨粒镶嵌在试样 表面，造成划痕。再次将精磨后试样在抛光机( 图2 7 ) 上进行抛光，所用短毛尼 幽2 - 6 箱式电阻炉 图2 7u n i p o l 8 2 0 型金相抛光预磨机。 f i g 2 - 6b o x - t y p er e s i s t a n c ef u r n a c e f i g 2 - 7m e t a l l o g r a p h i cp o l i s h i n go ft h eu n i p o l - 8 2 0p r e m i l l 哈尔滨理工大学工学砜士学位论文 子抛光绒布，抛光剂为0 5 p r o 金刚石抛光剂。抛光过程中用金相显微镜观察， 直到试样表面没有明显的划痕。 最后用腐蚀液( 4 m l v 0 1 h n 0 3 水溶液) 腐蚀制备试样的表面，时间一般停留 5 1 0 s ，之后迅速用大量清水冲净表面，最后无水乙醇冲洗表面，用吹风机吹试 样5 s 。其中g x 7 1 6 2 3 0 a 金相显微镜见( 图2 8 ) 和f e is i r i o n 扫描电子显微镜 ( 图2 9 ) 观察显微组织。 图2 8g x 7 1 石2 3 0 a 金相显微镜 f i g 2 - 8o l y m p u sm e t a l l o g r a p h 2 4 2 多次回流焊 图2 - 9 扫描电子显微镜 f i g 2 - 9f e is i r i o ns e m 焊点的制备方法同上所述，为了避免钎焊参数的不同对焊接形成的界面 i m c 形貌及厚度有影响，而导致时效试验的起始i m c 参数不同。因此将每种 尺寸焊点准备至少6 个以上，放入t 2 0 0 0 + b 型回流焊炉中( 如图2 5 ) ，在 2 4 0 下分别进行3 次，5 次的多次回流焊。 将多次回流焊后不同尺寸的s n - 9 z n c u 焊点( 1 0 0 0 x n ，7 0 0 1 x m ，5 0 0 r t m ) 都采 用冷镶嵌的方法制成试样，金相试样的制备方法同2 4 1 0 2 4 3 纳米压痕试验 本试验所使用的纳米压痕设备是日本岛津d u h 一2 1 1 s 超显微动态硬度 计，测设备具有测定s n 9 z n 无铅钎料力学性能参数的功能，如图2 1 0 所示。 该设备位移分辨率0 0 0 0 1 1 a m ，试验力范围0 1 - - 1 9 6 1 m n ，试验力精度是显示 值的士1 ，压头类型为三棱锥形的b e r k o v i c h 压头。该设备采用电磁力将将压 头慢慢压入样品表面，压头接触试样后，在加卸载过程中，设备在自动测量压 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 头压入的深度后，同时也会对压头压入过程中样品抵抗变形的变化进行动态测 量，从测试中获得压入载荷与压入深度( h ) 的连续曲线。 试验所选择的恒定加载速率分别为2 ，5 ，7 ，1 0 及1 3m n s 。为了获得整 体的力学响应，采用最大载荷5 0 m n ，保载5s 。以上测试中，为了保证数据的 准确性，每- n 试条件下对试样进行多次测量，然后取平均值。 图2 1 0d u l l 2 1 1 s 超显微动态硬度计 f i g 2 - 1 0d y n a m i cu l t r a - m i c r oh a r d n e s st e s t e rd u h - 2 11 d u h - 2 11 s 2 5 本章小结 1 利用高频感应加热设备熔炼s n - 9 z n 无铅钎料； 2 确定了s n - 9 z n c u 焊点的回流焊工艺参数，最高温度为2 3 8 ，液相线 ( 1 9 8 。c ) 以上时间为1 0 8 s ； 3 确定了老化试验参数，在1 5 0 1 2 条件下对焊点老化2 1 6 小时，然后进行 微观组织观察等试验； 4 确定了纳米压痕试验参数