（材料加工工程专业论文）snagcure钎焊接头蠕变行为的研究.pdf

摘要 摘要 欧盟已颁布w e e e 法令，明确提出将于2 0 0 6 年全面禁止含铅钎料的使用。 面对着商业竞争的压力，各国的电子制造商以及科研机构纷纷开展广泛的无铅钎 料研究工作。新型的无铅钎料不仅要具有良好的工艺性能，更重要的是要有更高 的力学性能，尤其是焊点的抗蠕变能力，以满足电子工业不断增长的对可靠性的 要求，确保其在服役过程中能可靠运行。s n a g c u 合金有着优良的润湿性能和力 学性能，被认为是最有潜力的s n p b 钎料的替代品。在众多的s n a g c u 合金中， s n 3 8 a g 0 7 c u 钎料由于其较高的抗蠕变性能，而受到了广泛的关注。 然而，电子线路板的超细间距式的设计趋势以及越来越严酷的服役环境，要 求新型的无铅钎料具有更高的高温蠕变抗力。向合金中添加具有表面活性的元素 可以有效地改善钎料的抗蠕变性能。 本文选择目前在无铅钎料领域中较为看好的s n 一3 8 a g 一0 7 c u 钎料，通过向其 中添加微量的c e 基混合稀土，研究了稀土对s n - 3 8 a g 0 7 c u 合金蠕变性能的影 响：通过蠕变断裂寿命的测试，研究了不同稀土含量对s n 一3 8 a g 一0 7 c u 钎焊接 头蠕变断裂寿命的影响：通过蠕变应变试验，确定s n 3 、8 a g - 0 7 c u 以及s n a g c u - 0 1 r e 的应力指数、激活能以及常数a ，建立了反映稳态蠕变速率与温度和应力 之间的本构关系。稀土的添加对s n 3 8 a g 0 7 c u 钎料的其他性能以及微观组织结 构也有影响。本文分别对s n 3 8 a g 一0 7 c u 以及含有不同含量的s n a g c u r e 钎料 合金进行了物理性能、工艺性能及常规力学性能的测试，并进行了对比。最后， 分析了稀土的添加对s n 3 8 a g 一0 7 c u 钎料合金及其钎焊接头显微组织的影响。 在所研究的合金中，未出现低熔点共晶峰，表明混合稀土的添加不会使 s n a g c u 合金产生低熔点共晶成分。添加微量的混合稀土对s n a g c u 钎料合金的 熔化温度影响不大，液相线温度大致在2 2 0 c 2 2 5 。c 之间。对s n a g c u r e 钎料进 行的物理、工艺及常规力学性能测试表明，从综合性能角度考虑，s n a g c u 合金 中稀土添加量不宜超过1 0 w t 。 蠕变断裂寿命试验表明微量混合稀土的添加可以显著地提高室温下s n a g c u 钎焊接头的蠕变断裂寿命。在室温条件下，稀土含量为0 1 w t 时，蠕变断裂寿 命最高，可以达到s n 3 8 a g 0 7 c u 的7 倍以上。当稀土含量超过01 w t d , - t ，接 头的蠕变断裂寿命呈下降趋势。尤其是当稀土含量为1 0 w t 时，接头的蠕变断 北京j ：业人学【学博十学位论文 裂寿命甚至低fs n 3 8 a g 0 7 c u 钎焊接头，大体与s n p b 钎焊接头的蠕变断裂寿 命持平。因此，在s n a g c u 钎料合金中，稀土的添加量不宜超过1 0 w t 。在6 5 下，接头蠕变断裂寿命提高得不多。最高只有s n a g c u 钎料的两倍多。因此， 稀土添加量的最佳范围在o 0 5 w t 一0 2 5 w t 之间，稀土添加不易超过1 0 w t 。 对s n 3 8 a g 一0 7 c u 和s n a g c u 0 1 r e 两种合金的钎焊接头蠕变参数( 应力指 数、蠕变激活能) 分别进行了测定；对常数a 进行了计算。从而得出了描述稳态 蠕变速率与应力和温度相关性的本构方程。通过对试验所得的s n 一3 8 a g 一07 c u 及s n a g c u 一0 1 r e 钎焊接头表观蠕变激活能的修正，得出了其真实蠕变激活能。 结果表明，在低应力条件下，s n 3 s a g 一0 7 c u 及s n a 。g c u 一0 1 r e 钎焊接头的真实 蠕变激活能都与基体s n 的晶格自扩散激活能接近，从而其稳态蠕变速率在低应 力下由晶格自扩散速率控制；在高应力条件下，s n 一3 8 a g 0 7 c u 及s n a g c u 0 1 r e 钎焊接头的真实蠕变激活能与基体s n 的位错管道扩散激活能接近，从而其稳态 蠕变速率在高应力下则由位错管道扩散的速率控制。 因此，通过总结可以得出：在低应力下，s n 一3 8 a g 一0 7 c u 和s n a g c u 01 r e 钎焊接头的最优化应力指数n 分别为6 9 和8 2 ，真实蠕变激活能都与晶格自扩散 激活能接近；在高应力下，s n 3 8 a g 0 7 c u 和s n a g c u 0 1 r e 钎焊接头的最优化 应力指数n 分另4 为1 1 6 和1 4 6 ，真实蠕变激活能都与位错管道扩散激活能接近。 进而，s n 一3 8 a g 一0 7 c u 和s n a g c u 0 1 r e 钎焊接头蠕变变形的主控机制为位错的 攀移过程。从而得出，在本文的试验温度和应力条件下，s n 3 8 a g 0 7 c u 及 s n a g c u 一0 i r e 钎焊接头的蠕变变形是由位错蠕变机制控制的。具体来说，蠕变 变形是位错滑移和位错攀移共同作用的结果，而控制稳态蠕变速率的主控机制为 位错的攀移。在低应力下，位错的攀移主要通过基体s n 的品格自扩散过程控制； 而在高应力下，位错的攀移则由位错管道扩散过程控制。 对s n a g c u r e 钎料合金及其接头的显微组织形成机制进行了探讨。通过对合 金中元素间的相互作用以及相应的二元相图的分析，提出了在s n a g c u r e 合金 中存在着c e s n 共晶反应、l a s n 包晶反应以及s n a g 、s n c u 的共晶反应。 s n a g c u r e 钎焊接头的显微组织与s n a 薛a r e 钎料合会的显微组织不同，这是 由于冷却速度的差异以及c u 基体向钎料中的溶解造成的。 稀土提高s n a g c u 钎焊接头的蠕变抗力，有以下几方面因素：1 ) 在枝晶界 处形成网络的富r e 相，会降低枝晶界的界面能，增加位错攀移的激活能，从而 降低了位错攀移的速率。2 ) 稀土的加入，可以在晶界处形成网络结构，能过阻 u 摘要 碍原子的扩散，抑制晶粒的长大和运动。3 ) 稀土的加入，增加了枝品界处的 口6 砌j 和爿占j 勋第二相粒子的数量，起到晶界强化作用。由于稀土元素在s n 中国溶度较小，大部分将富集在固液界面前沿的液相边界层中，从而阻碍a g 、 c u 原子穿过界面层向两侧迁移，减少a g 、c u 原子进入s n 固溶体的几率， 使阎溶在卢s n 中a g 、c u 含量相应减少，形成的第_ 二相数量明显增多。第一相 主要分布在枝晶间，起到晶界强化作用。4 ) r e 元素易向枝晶内的位错下方运 动，“吸附”在位错附近，由于降低了畸变能量，使位错运动所需的能量增加， 从而增加了位错运动的阻力，提高了晶粒的抵抗蠕变变形的能力。 关键词： s n a g c u ，稀土，无铅钎料，蠕变，本构方程 i i i 北京上业大学上学博士学位论文 a b s t r a c t t h ee uh a sl s s u e dt h ew e e em a n d a t et h a ta i m e dt op r o h i b i tt h eu s eo fs n p b s o h ：l e r si n y e a r2 0 0 6 u n d e rt h ep r e s s u r e o ft r a d e c o m p e t i t i o n s ，l a r g e e l e c t r o n i c m a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e ss t a r t e dt om a k ew i d e i n v e s t i g a t i o n s i nt h e s u b s t i t u t e sf o rs n p bs o l d e r s i ti ss u g g e s t e dt h a tt h en e wl e a d f r e es o l d e r ss h o u l dn o t o n l y h a v e g o o dp r o c e s sp e r f o r m a n c e ，b u t h a v e h i g h e r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ， e s p e c i a l l yt h ec r e e pr e s i s t a n c eo ft h es o l d e rj o i n t d u et ot h ee x c e l l e n tw e t t i n ga n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，s n a g c u s o l d e r a l l o y s h a v e b e e n r e g a r d e d a st h em o s t p r o m i s i n gp b f r e es u b s t i t u t e sf o rt h es n p bs o l d e r s t h es n 一3 8 a g 一07 c u s o l d e rh a s a l s og a r n e r e d g r e a ta t t e n t i o n sb e c a u s e o fi t sh i g hc r e e pr e s i s t a n c e h o w e v e r ，u n d e rt h ed r i v e so fi n c r e a s i n g l yf i n e rp i t c hd e s i g na n ds e v e r es e r v i c e c o n d i t i o n s ，n o v e ll e a d f r e es o l d e r sw i t hh i g h e rc r e e pp e r f o r m a n c e a r en e e d e d a d d i n g s u r f a c e a c t i v ee l e m e n tt oa l l o yi sc o n s i d e r e da sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e o fs o l d e r s t a k i n gt h em o s tp r o m i s i n gs u b s t i t u t eo fs n - 3 8 a g 一0 7 c us o l d e ra st h er e s e a r c h b a s e ，i n v e s t i g a t i o n sw e r em a d et oe x p l o r et h er u l e so fe f f e c to fd i f f e r e n tr a r e e a r t h c o n t e n t so nt h eg e n e r a lp r o p e r t i e so fs n - 3 8 a g 一0 7 c us o l d e r c r e e pr u p t u r el i f et e s t s w e l l ec o n d u c t e dt oe x a m i n et h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o n t e n to fr a r ee a r t ho nt h ec r e e p r u p t u r e l i f eo fs n 一38 a g 一0 7 c us o l d e rj o i n t c r e e ps t r a i n t e s t sw e r ep e r f o r m e dt o a c q u i r et h er e l e v a n tc r e e pp a r a m e t e r s ，s u c ha ss t r e s se x p o n e n t 、a c t i v a t i o ne n e r g ya n d c o n s t a n ta ，w h i c hr e f l e c t st h ec r e e pm e c h a n i s mt h ef i n a lc r e e pc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n s f o rs n 一3 8 a g 一0 7 c ua n ds n a g c u 一0 1 r es o l d e rj o i n t sw e r ee s t a b l i s h e d o p t i c a la n d s e mo b s e r v a t i o n sw e r em a d et oe x a m i n et h ev a r i a t i o no fm i c r o s t r u c t u r e so f s n - 3 8 a g 一0 7 c us o l d e ra l l o ya n d i t ss o l d e r j o i n tw i t h t h ea d d i t i o no fr e i nt h ee x a m i n e dt h es e r i e so fs n a g c u r es o l d e r s ，n ol o w t e m p e r a t u r ee u t e e t i c p e a kw a so b s e r v e do nt h ed s cc u r v e s ，w h i c hi m p l i c a t e dt h a tn ol o w t e m p e r a t u r e e u t e c t i cp h a s ew a sp r o d u c e db y a d d i n g s m a l la m o u n to fr a r ee a c h ，r a r ee a r t hd o e s n t a f t k ：c tt h e m e l t i n gt e m p e r a t u r e o fs n 一38 a g 一0 7 c us o l d e r g r e a t l y t h e l i q u i d t e m p e r a t u r e so fs n a g c u r ea l l o y l i ei nt h e s c o p eo f2 2 0 。c - 2 2 5 t h et e s t s o f a b s t r a c t p h y s i c a lp r o p e r t i e s 、p r c o c e s s a b i l i t ya n dr e g u l a rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs n a g c u r e s h o wt h a tt h ec o n t e n to fr ea d d e di n t ot h es n - 3 s a g 一07 c ui sn o ts u g g e s t e dt oe x c e e d 1 o w t m i n u t ea m o u n t so fr ec a ni n c r e a s et h ec r e e pr u p t u r el i f eo fs o l d e rj o i n ta tr o o m t e m p e r a t u r e u pt o7t i m e s m o r et h a nt h a to f s n 一3 8 a g 一0 7 c uw h e nr e i s0 1 w t ，a s r ei s b e y o n d0 1w t ，c r e e pr u p t u r el i f ed e c r e a s e s ，e s p e c i a l l yw h e nr ea d d su pt o 1 0 w t ，t h el i f e t i m eo fs n a g c u r es o l d e rj o i n ti sb e l o wt h a to fs n - 3 8 a g 一0 7 c u ，b u t i ss i m i l a rt os n 一3 7 p b h e n c e ，t h ec o n t e n to fr ei nt h es n a g c us o l d e ra l l o ys h o u l dn o t b eh i g h e rt h a n1 0 w t a t6 5 。c ，t h e c r e e pr u p t u r el i f e o fj o i n t si n c r e a s e sn o tt 0 0 m u c h o n l y2t i m e sa st h a to fs n a g c u a tm o s t i ng e n e r a l ，t h eb e s tr a n g eo fc o n t e n to f r a r ee a r t hi nt h es n 一3 8 a g 0 7 c us o l d e ra l l o yi so 0 5 w t 一0 2 5 w t a n ds h o u l dn o t b eb e y o n d10 w t m e a s u r e m e n t sw e r ec o n d u c t e do nt h e s n 一3 g a g - 0 7 c u a n d s n a g c u 一01 r e s o l d e rj o i n t sf o rc o n f i r m i n gt h ec r e e pp a r a m e t e r s ，i e ，s t r e s s e x p o n e n t 、a c t i v a t i o n e n e r g ya n dc o n s t a n ta t h ef i n a l c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sf o rt h e s et w os o l d e rj o i n t s w e r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e dt h ed e p e n d e n c eo f s t e a d y s t a t ec r e e p r a t eo nt h e s t r e s sa n d t e m p e r a t u r e b yc o r r e c t i n g t h e a p p a r e n tc r e e p a c t i v a t i o n e n e r g y o f s n 一3 s a g - 0 7 c u a n ds n a g c u 一0 1 r es o l d e rj o i n t sf r o mt h e e x p e r i m e n t s ，t h e t r u e c r e e pa c t i v a t i o ne n e r g yi so b t a i n e d r e s u l t si n d i c a t e dt h a tu n d e rl o ws t r e s s ，t h et r u e c r e e pa c t i v a t i o ne n e r g yo fs n - 3 8 a g 一0 7 c ua n ds n a g c u 一0 1 r es o l d e rj o i n t si s c l o s e t ot h el a t t i c es e l f - d i f f u s i o na c t i v a t i o n e n e r g y , s ot h es t e a d yc r e e p s t r a i nr a t e sa r e d o m i n a t e db yt h er a t eo fl a t t i c es e l f - d i f f u s i o nu n d e rl o ws t r e s s u n d e rh i g hs t r e s s ，t h e t r u ec r e e pa c t i v a t i o ne n e r g yo fs n 3 8 a g 一0 7 c ua n ds n a g c u 一0 1r es o l d e rj o i n t si s c l o s et ot h ed i s l o c a t i o np i p ed i f f u s i o na c t i v a t i o ne n e r g y ，s ot h es t e a d yc r e e ps t r a i n r a t e sa r ed o m i n a t e d b y t h er a t eo fd i s l o c a t i o np i p ed i f f u s i o nu n d e rh i g hs t r e s s s o ，i tc a nb es u m m a r i z e dt h a t ：u n d e rl o ws t r e s s ，t h eb e s t - f i ts t r e s se x p o n e n t ho f s n 一3s a g 一0 7 c ua n ds n a g c u 01r es o l d e r j o i n t si s 6 9a n d8 2 ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h e t r u e c r e e pa c t i v a t i o ne n e r g yo ft h e mi s b o t hc l o s et ot h a to fl a t t i c e s e l f - d i f f u s i o n ； u n d e r h i g hs t r e s s ne q u a l s t o1 16 a n d1 4 6 f o rs n 一3 s a g 一0 7 c ua n d s n a g c u - 0 i r e s o l d e r j o i n t s ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h et r u ec r e e pa c t i v a t i o ne n e r g yo f t h e mi sb o t hc l o s et o t h a to fd i s l o c a t i o n p i p ed i f f u s i o n t h u s ，u n d e r t h ec o n d i t i o no f e x p e r i m e n t s v 北京【：业人学l ：学博十学位论文 t e m p e r a t u r e sa n ds t r e s s e s ，d i s l o c a t i o nc l i m b i n gm e c h a n i s ms e r v e sa st h ec o n t r o l l i n g m e c h a n i s mf o r c r e e p d e f o r m a t i o no fs n - 3 8 a g - 0 7 c ua n ds n a g c u - 0 i r es o l d e r j o i n t s s ot h ef i n a lc o n c l u s i o nc a nb ea r r i v e dt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fe x p e r i m e n t s t e m p e r a t u r e sa n ds t r e s s e s ，t h ec r e e pd e f o r m a t i o n so fs n 一3 8 a g - 0 7 c ua n ds n a g c u - 0 ir es o l d e rj o i n t sa r eb o t hc o n t r o l l e d b yd i s l o c a t i o nc l i m b i n g a saw h o l e ，t h e d i s l o c a t i o ng l i d i n ga n dc l i m b i n gb o t hc o n t r i b u t et ot h ec r e e pd e f o r m a t i o n ，b u tt h e c o n t r o l l i n gm e c h a n i s mi s t h ed i s l o c a t i o nc l i m b i n g u n d e rl o ws t r e s s ，t h ed i s l o c a t i o n c l i m b i n g i sd o m i n a t e db yt h el a t t i c es e l f - d i f f u s i o n p r o c e s s i ns n m a t r i x ，a n d d o m i n a t e d b yd i s l o c a t i o np i p ed i f f u s i o np r o c e s su n d e rh i g h s t r e s s d i s c u s s i o n sw e r em a d ea b o u tt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m so fs n a g c u r es o l d e r a l l o ya n di t s s o l d e rj o i n t b ya n a l y z i n gi n t e r a c t i o n sb e t w e e ne l e m e n t si nt h ea l l o ya n d t h er e l e v a n tb i n a r yp h a s ed i a g r a m s ，i ti s b r o u g h tf o r w a r dt h a t t h ec e s ne u t e c t i c r e a c t i o n 、l a s np e r i t e c t i cr e a c t i o na n ds n a g 、s n - c ue u t e c t i cr e a c t i o n se x i s ti nt h e s n a g c u r ea l l o yt h e m i c r o s t r u c t u r eo f s n a g c u r e s o l d e rj o i n ti sd i f f e r e n tf r o mt h a t o fs n a g c u r es o l d e ra l l o y , t h er e a s o ni sd u et ot h ed i f f e r e n c eo fc o o l i n gc o n d i t i o n s a n dt h ed i s s o l u t i o no fc us u b s t r a t ei n t ot h es o l d e r t h ef a c t o r so f i m p r o v i n gt h ec r e e pr e s i s t a n c eo fs n a g c u s o l d e rj o i n tb y a d d i n g t h er ea r el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t ，t h er e r i c hp h a s ef o r m e d a tt h ed e n d r i t eb o u n d a r i e sc a nl o w e rt h ei n t e r f a c e e n e r g y , a n di n c r e a s et h ea c t i v a t i o ne n e r g yf o rd i s l o c a t i o nc l i m b i n ga l o n gt h ed e n d r i t e b o u n d a r i e s ，t h u sd e c r e a s et h er a t eo f d i s l o c a t i o nc l i m b i n g s e c o n d l y , t h er e r i c hp h a s ea t t h ed e n d r i t eb o u n d a r i e sc a nh a m p e rt h ea t o m d i f f u s i o n ，r e s t r a i nt h ed e n d r i t e sg r o w t ha n dm o v i n g t h i r d l y , t h e a d d i t i o no fr ei n c r e a s et h en u m b e ro fc u 6s n j 和船j 砌 s e c o n d p h a s ep a r t i c l e s a tt h ed e n d r i t eb o u n d a r i e s ，s ot h a t s t r e n g t h e n t h ed e n d r i t e b o u n d a r i e sd u et ot h es m a l ls o l i ds o l u t i o no fr ee l e m e n ti nt h e 卢一s n ，m o s to fr e w i l le n r i c hi nt h el i q u i db o r d e r l i n el a y e ro ft h es o l i d l i q u i di n t e r f a c e ，w h i c h h e l pt o h i n d e rt h et r a n s f e ro fa g 、c ua t o m st h r o u g ht h e i n t e r f a c e ，t h u sr e d u c et h et h e p r o b a b i l i t yf o ra g 、c ua t o m st o e n t e rt h e 一s ns o l i ds o l u t i o n t h en u m b e ro f a b s t r a c t s e c o n dp h a s ep a r t i c l e si n c r e a s e sa c c o r d i n g l y ，w h i c hc o n t r i b u t et ot h es t r e n g t h e n i n g t h ed e n d r i t eb o u n d a r i e s f i n a l l y , m i n u t ea m o u n to fr ea t o m s i nt h e 8 一s n m a t r i xw i l lm o v et ot h e u n d e r s i d eo ft h ed i s l o c a t i o na n d a b s o r b e d ”b yt h ed i s l o c a t i o n st h ea b e r r a t i o ne n e r g y i sd e c r e a s e da n dt h er e s i s t a n c ef o rd i s l o c a t i o nm o v i n gi se n h a n c e d s o ，t h ec r e e p r e s i s t a n c eo fd e n d r i t e si si m p r o v e d k e yw o r d ：s n a g c u ，r a r ee a r t h ，l e a d f r e es o l d e r s ，c r e e p ，c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n 第一章绪论 第1 章绪论 1 i 引言 伴随着信息时代的来临，信息技术( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 日益成为一个国 家或社会发展和进步的推动性力量。以微电子、计算机、新材料、信息技术、通 信网络等广泛应用为标志的信息技术，与信息产业革命高度紧密地融合在一起： 使斟学技术更加直接、更加规模宏大地为这个时代的经济发展和社会进步做出着 突出贡献。这其中，以微电子技术为基础，以电子计算机和通信技术为核心的电 子信息技术，正在为国民经济信息化的进程起着决定性作用。 信息技术不仅是最活跃的生产力要素，而且具有高度的超前性，能够在人们 认识不充分的时候，即已始研究开发，并应用于先进的生产设备和试制品中。从 而，在许多技术领域具有龙头地位和先导作用，例如集成电路技术，早在l o 一15 年之前已经开发研制，并能根据其他技术的发展状况进行多种组合。以下是美国 半导体工业联合会提出的未来1 0 年国家集成电路技术的发展趋势，见表1 1 。 表1 1 集成电路发展趋势 t a b l el 一1 d e v e l o p m e n tw e n df o ri n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y 由表1 1 可以看出，集成电路的最小线宽呈现着逐渐减小的趋势，电子器件 正朝着超微型化方向发展。超大规模集成电路就是在这种趋势下应运而生的。 北京工业大学，r 学博士学位论文 先进的超大规模集成器件( u l s i ) 是一种非常复杂和精密的三维结构，在 单个的集成电路( i n t e r g r a t e d c i r c u i t ，i c ) 内部包含有几百i 丁个元件和晶体管。随 着i ( ：技术的不断进步，单芯片所能包含的元件数目也成倍的增长，同时也促进 了超大规模集成器件的集成化程度。这种越来越高的集成化程度的优点就是器件 尺寸的微型化，而由于高密度的组装及互连状态使得信号传播的延迟性降低。 随着集成电路和超大规模集成电路的不断发展，无源元件也相应地不断小型 化、微型化，并促进了组装技术的进步。图1 1 显示了微型化对电子互联及组装 技术的影响趋势】。 c 。删啦船撕曲氍p a ds 妇e 灶m 1 酿a 隅融 图1 ，1 微型化对电子互联及组装技术的影响趋势 f i gl li m p a c to fm i n i a t u r i z a t i o no ni n t e r c o n n e c t i o na n dp a c k a g i n gt e c h n o l o g i e s 目前，电子产品正向着小型化、轻量化、高精度及高可靠性发展，许多焊点 的尺寸常常不足一个平方毫米；连接对象可能是直径为零点几毫米的丝与厚度仅 为几十微米的金属镀层；焊点间距也可能仅有零点几毫米等等，并且尺寸仍在不 断减小。电子产品的这种特点和发展趋势对连接技术提出新的更高的要求，一些 新的工艺方法不断涌现。表面组装技术就是在这种要求下蕴育而生的。 2 0 世纪6 0 年代，在电子表行业中，为了实现电子表的微型化，人们丌发出 了无引线电子元件，并将其直接焊接到印制电路板上，实现了电子表微型化的目 第一章绪论 的，这就是今天称之为“表面组装技术”的雏形。 表面组装技术( s u r f a c em o u n t t e c h n o l o g y ) ，即s m t ，它是将表面贴装元器 件 无引脚或短引脚的元器件) 贴装并焊接到印制电路板( p c b s ) 表面规定位置上的 电路组装技术。表面组装技术是当代最为先进并且已获成熟应用的电子产品组装 手段。白1 9 7 1 年荷兰菲利浦公司率先采用表面组装技术以来，尤其是在8 0 年代 中觇表面组装技术获得了飞速发展，进入9 0 年代后，表面组装技术已经成熟并 且在计算机、信息、通讯等众多高技术领域中获得了广泛的应用。如美国自动化 公司的产品1 0 0 采用片式元件，计算机公司的产品中，片式元件使用达9 5 ， 通讯产品也有6 5 以上采用了片式元件。国内的发展也非常迅速，彩电高频头、 对井机、移动电话等产品中，元器件的片式化率已达到9 0 一9 5 表面组装技术 已经逐步取代了传统的通孔安装技术( t h r o u g hh o l et e c l m o l o g y , t h t ) ，成为首要 的电子产品组装技术。图1 2 是通孔安装焊点与表面组装焊点的示意图。 ( a ) t h t 钎焊接头( b ) s m t 钎焊接头( c ) b g a 钎焊接头 ( d ) f l i p c h i p 钎焊接头 图1 2 电子组装互连接头形式 f i g 1 - 2 t y p i c a lj o i n t m o d e so f e l e c t r o n i c sa s s e m b l y i n t e r c o n n e c t i o n ( a ) 7 f h ts o l d e r j o i m( b ) s m ts o l d e r j o i n t( c ) b g as o l d e r j o i n t ( d ) f l i p - c h i ps o l d e r j o i n t 北京i ：业人学j l + 学博十学位论文 s m t 自问世以来，历经4 0 多年的发展，己进入完全成熟的阶段，不仅成为 当代电路组装技术的主流，而且正继续向纵深发展。 在电子组装过程的各个阶段中，钎焊技术都扮演着重要角色。在s m t 中， 焊点i = 或软钎焊接头) 既起到表面贴装器件与线路板的机械连接作用，又承担着 元器件之间以及与线路板之间的电气连接作用。目前，广泛应用于电子行业的连 接材料是含铅钎料，其中s n 一3 7 w t p b 共晶钎料及s n 一4 0 w t p b 近共晶钎料成为 电子组装用钎料的主流产品，其熔化温度大约在1 8 3 左右。 1 1 1 无铅钎料问题的提出 含铅钎料在电子行业中己应用了5 0 余年。含铅钎料( 主要是s n 3 7 p b 和 s n 一4 0 p b ) 一直处于优势地位，主要由于其成本低廉，在一些操作环境下有较高 的可靠性。同时，s n p b 钎料又具有适度的熔化温度，较高的强韧性及热疲劳抗 力，并且导电导热性能也能满足要求，这些都非常适合在电子行业中大范围应用。 含铅钎料在电子互联过程中起到三个主要作用：( 1 ) 电子元器件及线路板之 i n j 的连接材料；( 2 ) 作为元器件引脚的涂层；( 3 ) 作为p c b s 上的表面涂层。 然而，铅是一种有毒物质，对人体健康威胁非常大。美国国会在1 9 9 0 年提 出了针对铅的限制性法规，但由于当时还没有开发出有效的替代材料，以至于遭 到了： 业界的反对而被否决。欧盟( e u ) 出于环保的考虑，近期已通过了电气 电子设备废弃法令( w e e e ) ，明确宣布自2 0 0 6 年1 月1 日起电气电子产品必须 实现无铅化i ) j 。 近1 0 年来，伴随着电子工业的发展，所带来的环境问题也曰益突出，首先 被关注的是破环臭氧层的氟氯碳化合物。随着人们环境意识的增强，铅对环境的 污染问题也提到了议事1 3 程上来。铅对人体的危害主要是由于金属铅受酸性物质 的影响，转化成了离子铅，并渗入到地下水，进入人体后逐渐沉积到骨骼和内脏 所致。铅的离子化过程如下所示： p b + 妻0 2 - * p b o ( 1 - 1 ) p b o 十2 h + p b2 + 十h 2 0f 1 - 2 ) 出于铅是重盒属元素，在人体内易于积累，特别是铅离子与人体内蛋白质结 合，会抑制蛋白质的正常化合。此外铅离子还易侵害人的神经系统，造成精神错 4 第一章绪论 乱，铅对婴幼儿的危害更大，会影响智商和正常发育。早在1 9 8 6 年美国就已通 过法律禁止在饮用水供