（材料加工工程专业论文）cu含量对低银无铅焊点的界面结构及力学行为的影响.pdf

哈尔滨理下大学下学硕：七学位论文 c u 含量对低银无铅焊点的界面结构 及力学行为的影响 摘要 钎料作为电子元器件的连接材料，起着实现元器件之间电气连接的重要 作用，s n a g - c u ( s a c ) 钎料由于其性能良好已经被认为s n p b 钎料的最佳替 代品，但是实际应用中仍存在一些问题。通过在钎料中添加微量元素来改善 钎料性能，作为一种有效方法越来越被重视。本文以一种新的低银s n a g c u n i b i 钎料为研究对象，以老化、深腐蚀为手段，借助扫描电子显微 镜、结合强度测试仪及压痕硬度测试仪等设备，分析c u 含量的变化与低银 钎料( s n a g c u n i b i ) 在c u 、n i 焊盘上形成的焊点的界面行为及力学盐能 的关系。 研究结果表明：在c u 焊盘上，c u 含量在0 3 w t 1 5 w t 区间时，随着 钎料中c u 含量的变化，界面i m c 层的厚度，组成及形貌发生了明显的改 变。随着c u 含量的增加，回流焊后i m c 层厚度逐渐变薄，i m c 的晶粒尺 寸逐渐增大。同时界面化合物的组成和形貌都发生了显著变化，当c u 含量 小于0 5 w t 时，界面处形成了大量的小颗粒状化合物( c u ，n i ) 6 s n 5 ，而当c u 含量为0 7 w t 时，界面处同时存在着少量的小颗粒状化合物( c u ，n i ) 6 s n s 和 大量的棱柱状化合物c u 6 s n 5 ；当c u 含量为1 0 w t - 1 5 w t 时，粒状和棱柱 状化合物消失，界面只存在鹅卵石状的化合物c u 6 s n s 。1 6 0 时效后，时效 后c u 含量为1 0 w t 时，界面i m c 层厚度增加量最小。钎料中c u 含量为 0 5 w t 时，焊点的剪切强度最大。压痕硬度随着c u 含量的增加而增大。 在n i 焊盘上，c u 含量在0 3 1 5 w t 区间时，随着c u 含量的增加，界 面i m c 层变厚；c u 含量为o 3 w t 时，界面i m c 为大量片层状的 ( n i ，c u ) 3 s n 4 ；当c u 含量为0 5 w t 时，界面i m c 为少量片层状的 ( n i ，c u ) 3 s n 4 和多面体状的( c u ，n i ) 6 s n 5 化合物；当c u 含量大于0 7 w t 时，界 面i m c 为长条状的( c u ，n i ) 6 s n 5 。时效后，焊点界面i m c 层增厚，c u 含量为 1 0 w t 时，钎料的抗老化性能最好。钎料中c u 含量为1 0 w t 时，焊点的 抗剪切能力最好。c u 含量为1 0 w t 时，焊点的压痕硬度最大。 关键词低银钎料；c u 含量；时效；i m c ；力学性能 - i - 哈尔滨理丁大学t 学硕f j 学位论文 e f f e c to fc uc o n t e n to nt h ei n t e r f a c i a lr e a c t i o n a n dm e c h e n i c a lp r o p e r t i e so f l o w - - a gl e a d - f r e e b r a z i n g a b s t r a c t a st h ec o n n e c t i o nm a t e r i a lo fe l e c t r o n i c c o m p o n e n t s ，s o l d e rp l a y s a l l i m p o r t a n tr o l eo ne l e c t r i c a lc o n n e c t i o na m o n gc o m p o n e n t s s n a g c up b - f r e e s o l d e ri sc o n s i d e r e dt h eb e s ts o l d e rw h i c hc a nr e p l a c es n p bs o l d e rb e c a u s eo fi t s g o o dp e r f o r m a n c e ，b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m si na p p l i c a t i o n s oi m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo fs o l d e rb ya d d i n gm i n o re l e m e n t sh a sg o tm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n s t h i sp a p e rw a sb a s e do nan e wl o w - a gs n a g - c u n i b is o l d e ra n d a n a l y s e di t si n t e r f a c i a lr e a c t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so nc n ip a d ，w h i c h w e r es t u d i e d b yt h e r m a l - a g i n ga n dd e e pe t c h i n gm e t h o du s i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ya n db o n d i n gs t r e n g t ha n di n d e n t a t i o nh a r d n e s st e s t e re q u i p m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：o nc u p a d ，w h e nt h ec uc o n t e n ti s0 3 w t 1 5 w t ， w i t ht h ec uc o n t e n tc h a n g i n g ，s i g n i f i c a n tc h a n g e so c c u r r e do nt h et h i c k n e s s ， m o r p h o l o g ya n dc o m p o s i t i o no fs n a g - x c u n i - b ii n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s o m c ) la y e r w i t ht h ei n c r e a s eo fc uc o n t e n ti nt h e s el o w - a gp b f r e es o l d e r s t h e t h i c k n e s so fi m c sl a y e rd e c r e a s e so b v i o u s l ya f t e rr e f l o w i n g ，a n dt h es i z e so f g r a i n sb e c o m el a r g e r a tt h es a m et i m e ，al a r g ea m o u n to fg r a n u l e l i k e ( c u ，n i ) 6 s n si m c sw e r eo b s e r v e da ti n t e r f a c e sw h e nt h ec uc o n t e n ti sb e l o w 0 5 w t ，a n dt h e r ea r eaf e wg r a n u l e - l i k e ( c u ，n i ) 6 s n si m c sa n dal a r g en u m b e r o fp r i s m - l i k ec u 6 s n 5i m c sa p p e a r e da ti n t e r f a c e sw h i l et h ec uc o n t e n ti s0 7 w t h o w e v e r , t h ei m cb e t w e e nc up a da n ds o l d e rb e c a m ec o b b l e 1 i k ec u 6 s n 5i m c i n s t e a do f ( c u ，n i ) 6 s n sw h e nt h ec uc o n t e n ti s1 0 w t - 1 5 w t i na g i n gt e s t ， t h et h i n k n e s si n c r e m e n ti sm i n i m u mw h e nt h ec uc o n t e n ti s1 o w t t h es h e a r s t r e n g t h i sh i g h e s tw h e nc uc o n t e n ti s0 5 w t i n d e n t a t i o nh a r d n e s si n c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s i n go fc uc o n t e n t o nn ip a d ，t h et h i c k n e s so fi m cl a y e ri n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fc u i i 哈尔滨理丁大学t 学硕l j 学位论文 c o n t e n t al a r g ea m o u n to fl a m e l l a r - l i k e ( n i c u h s n 4i m cw e r eo b s e r v e da t i n t e r f a c e sw h e nt h ec uc o n t e n ti s0 3 w t ：t h e r ea r eaf e wl a m e l l a r - l i k e ( n i ，c u h s mi m ca r o u n dal a r g en u m b e ro fp o l y h e d r o n l i k e ( c u ，n i ) 6 s n 5i m c w h e nt h ec uc o n t e n ti s0 5 w t ；s t r i p l i k e ( c u ，n i ) 6 s n 5i m cw e r eo b s e r v e da t i n t e r f a c e sw h e nt h ec uc o n t e n tm o r et h a n0 7 w t a f t e ra g i n g ，t h ea g i n g r e s i s t a n tp e r f o r m a n c ei sb e s tw h e nt h ec uc o n t e n ti s1 0 w t t h ea u t i s h e a r a b i l i t yi sb e s tw h e nc uc o n t e n ti s1 0 w t i n d e n t a t i o nh a r d n e s si sh i g h e s tw h e n c uc o n t e n ti s1 0 w t k e y w o r d sl o w s i l v e rs o l d e r , c uc o n t e n t ，a g i n g ，i m c ，m e c h e n i c a lp r o p e r t i e s i i i 哈尔演婵t 人学t 学硕f ：学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着经济与科技的发展，电子产品已经向多功能，微型化方向发展，钎料 作为电子元器件之f a j 的重要连接材料之一，也提出了更加高的要求，如钎料的 绿色化、低碳化，以及焊点的小型化、高密度化、高可靠性等f 1 棚。这使传统的 钎料已经不能满足对其性能的需求。 由于人们对环保意识的加强，使得s n p b 钎料逐渐退出电子封装行业的舞 台，s n a g c u 钎料由于其优良的性能，被人们认为是s n p b 钎料最佳的代替 品，但是目前市场上的s n a g - c u 钎料含银量高，都在在3 w t 左右，由于a g 是贵重金属，价格昂贵，这使得高银s n a g c u 钎料的价格是原来s n - p b 钎料 价格的2 3 倍【5 】，这必然会影响到相关产品的长远发展以及市场竞争力。而且 有研究指出：含银量高的钎料其焊接接头的抗冲击性能差，这使得可靠性也受 到影响。因此研究一种含银量低、性能优越的低银无铅钎料将具有十分重要的 价值。 1 2 无铅钎料的发展 1 2 1 钎料的无铅化 铅被美国环境保护署( e p a ) 定为1 7 种严重危害人类健康和自然环境的化学 物质之一，在日常工作中，人体可通过皮肤吸收、呼吸、进食等吸收铅或其化 合物，在人体内它还有不可排泄逐渐积累的问题。并且铅通过渗入土壤以及水 系统进入人体或者动物体内造成铅中毒，进而引发一系列安全问题。因此世界 各国纷纷立法禁止含铅物质的使用睁1 0 l 。 在电子信息行业，2 0 0 3 年1 月欧盟j 下式公布了w e e e 和r o l l s 无铅指 令，指令中明确提出了六种禁止使用的有毒物质，即铅、汞、六价铬、镉、聚 合溴化联苯乙醚和聚合溴化联苯，其中铅排第一位。而且还明确给出了全面禁 止使用铅的时间表，在r o l l s 指令中写到：“所有欧盟成员国必须保证，自从 2 0 0 6 年7 月起，进入市场的所有电子产品都不能含有铅等有毒物质。在中国， 哈尔滨胖t 人学r 学硕l j 学化沦爻 2 0 0 6 年2 月，中国信息产业部等相关部门发布了无铅号令，颁布了电子信息 产品的污染防治管理办法，该办法中明确指出电子信息产品中不能含有铅等 有毒物质，电子信息产品包括军用和民用的几乎所有的电子产品。并且在2 0 0 7 年3 月lr 开始实施。 从上述指令可以看出，该指令不仅仅具有环保意义，而且从商业角度讲， 更加规范了行业秩序，使电子产品的市场准入增加了一道绿色技术壁垒。同时 也使电子材料面临着巨大的挑战，在电子封装行业，国内外的研究者们都在寻 找s n p b 钎料的合适替代品，经过近1 0 年的发展，现在已经形成了s n a g 系 列、s n c u 系列、s n a g c u 系列、s n z n 系列、s n b i 系列等无铅钎料系列。6 1 。 s n a g c u 系列由于其性能优越，被认为是s n - p b 钎料最佳的替代品。 1 2 2 无铅钎料的性能要求 由于在过去很长一段时间，电子封装的连接材料都使用的是s n p b 钎料， 因此，无论是封装工艺，回流焊设备，以及材料的耐热性能都是围绕s n p b 钎 料来设计的，已经形成了产业化，因此，要寻求s n p b 钎料的替代品，就应该 满足新开发的材料的各项性能更加接近s n p b 钎料。因此无铅钎料就应该满足 以下要求： 1 无铅钎料的熔化温度应尽量接近s n p b 钎料的熔化温度( 18 3 c ) ，熔化 温度范围要尽可能的小，因为s n p b 钎料是共晶合盒，其d s c 曲线分析的结果 是只有一个吸热峰，对元器件的热冲击比较小。因此要求新的无铅钎料的吸热 峰更加接近。当然，无铅钎料的熔点可能比s n p b 钎料的熔点要高，因此，行 业内提出了无铅钎料的可以接受的液相线温度为低于2 2 5 。 2 无铅钎料的润湿性能应达到或者超过s n p b 钎料的润湿性，只有钎料对 母材有良好的润湿性，才能保证有良好的焊接接头。 3 无铅钎料的力学性能良好，焊点在封装器件中一个重要的作用是机械连 接。由于电子产品在使用过程可能受到的外来作用力比较复杂，在不断开关过 程中不断经历冷热循环和电冲击，因此需要钎料具有良好的力学性能，即包 括：钎料的抗剪切强度，抗热疲劳性能，抗蠕变性能，硬度，延展性等。 4 作为电子封装中的连接材料，还必须具有良好的导电性能和导热性能。 从而使电子产品的性能能更好的发挥。 5 无铅钎料的成本是钎料能否产业化的一个非常重要的因素，为了降低成 本，就必须控制贵重金属在钎料中的含量。 哈尔演理t 人学t 学硕l 学位论文 1 2 3 低银无铅钎料的前景 一种新的钎料能否被产业化，价格起到了很大的作用。然后目前市场的钎 料，其含银鼍都在3 w t 以上，占钎料价格的6 0 以上，因此，低银钎料在价 格上占有明显的优势。而且研究者们发现，高银钎料的抗冲击性能及抗剪切强 度差1 1 7 - 1 9 】，尽管低银钎料的熔化温度和润湿性性能较高银钎料略差，但是研究 者们通过添加微量元素已经使熔点和润湿性能得到改善，并且抗剪切性能和抗 电迁移性能比高银钎料高。因此低银钎料具有很好的应用前景。 1 3 焊点可靠性与界面反应 1 3 1 焊点的失效模式 随着电子信息产业的迅速发展，电子产品微型化的速度越来越快，导致电 子器件的连接焊点也越来越小，而且所承受的力学、电学、热力学负荷却越来 越重，因此对可靠性的要求越来越甜2 蚴i 。焊点的可靠性分析主要目的有两 个：其一，评价以及鉴定电路器件的可靠性水平，为整个元器件的可靠性设计 提供参数；其二，通过对失效产品的分析，找出失效原因，及时纠j 下和改进工 艺参数，从而提高焊点的可靠性。其中导致焊点可靠性降低或者焊点失效的模 式主要有以下三种 2 3 - 2 5 】。 1 3 1 1 焊接工艺引起的焊点失效焊接工艺参数的设置不当及焊后的不适当的 清洗可能导致焊点的时效。一个焊点的失效就有可能导致整个元器件的失效， 因此如何保证焊点的质量是一个非常重要的问题。由于无铅技术中焊接材料的 熔点比传统的s n p b 钎料熔点高，通常会导致焊接温度的提升，进而使焊接设 备以及元器件中的其他设备面i 临着温度的考验，也给焊点的可靠性带来新的问 题。 1 3 1 2 时效过程中引起的焊点失效随着电子元器件的小型化及多功能化，使 电子元器件承受的温度提升，通过实验发现，焊点在时效过程中，焊点的界面 i m c 微观组织会粗化，而且界面i m c 层的厚度会不断加厚，当厚度大于某一 临界值后，界面化合物就会表面为脆性，当焊点受到外界作用力时，就会导致 焊点的失效。另一方面，由于焊点中各组成部分的热膨胀系数不一致，会导致 焊点在服役过程中面临周期性应变，当应变量足够量时会导致焊点的时效。 1 3 1 3 外力作用引起的焊点失效随着电子元器件在汽车、手机等移动设备上 哈尔演耻- y 人学t 学硕i j 学位论文 的广泛使用，使电子元器件中的焊点面临着不同的外界载倚，当外界作用力大 于焊点所能承受的最大作用力时就会导致焊点的失效。焊点承受的外界作用力 主要有剪切和拉伸，对于封装器件中的焊点，主要承受的外界作用力为剪切 力。 1 3 2 钎料与不同焊盘的反应 钎料能否与焊盘反应并形成界面化合物是形成可靠性焊点的必要条件之 一，其反应产物即界面化合物会影响焊点的可靠性，关于无铅钎料与c u 焊盘 的反应，目i j 已有不少文献报道。在他们的报道中认为s n a g - c u 、s n a g 、 s n c u 、s n b i 和s n s b 等合金钎料与c u 焊盘回流焊后，c u 基板中的c u 原子 会与钎料中的s n 反应在界面处形成c u 6 s n 5 化合物，时效处理后，c u 6 s n 5 化合 物生长，并且在c u 6 s n 5 与c u 焊盘之间生成c u 3 s n 相。 当焊盘为n i 基板时，s n a g c u 、s n - a g 、s n c u 、s n - b i 和s n - s b 等合金 钎料在与焊盘回流焊后，界面化合物主要是c u 、n i 和s n 以不同的原子比形成 的( c u ，n i ) x s n v 化合物，与c u 焊盘相比，在n i 焊盘上形成的化合物比较细小。 钎料与焊盘形成的化合物层的厚度、形貌及化合物成分会对焊点的力学性 能造成一定的影响，在相同元素的钎料与焊盘形成的界面化合物中，化合物的 形貌与成分及化合物层厚度与钎料中各原子的成分配比有关。对于s n a g c u 钎 料。c h c n 等 2 6 - 2 5 】和h o 等 2 9 - 3 1 1 报道了铜含量对s n c u 、s n 3 5 a g c u 钎料和n i 基板 钎焊后i m c 的组成和形貌的影响。对于s n 3 5 a g c u 钎料，他们的研究表明：钎 焊后i m c 的组成完全取决于钎料中c u 的含量；l u 等 3 2 , 3 3 】研究了c u 含量对s n 3 5 a g c u 钎料和c u 基板固液反应后接头组织的影响，结果指出：i m c 的形貌发 生了显著的变化，随着c u 含量的增加，由镊子状变成叶子状再变成豆状。 1 4 课题研究目的及内容 低银无铅钎料s n - a g - c u 合金由于比高银s n - a g c u 合金具有较高的性价 比，已引起业界的广泛关注，但目前关于低银无铅钎料s n a g - c u 合金的报道 主要是研究s n a g - c u 钎料的熔点和润湿性以及钎料中a g 含量对钎料性能及 焊点性能的影响。关于低银钎料中c u 含量对钎料的影响和对焊点界面化合物 的影响未见报道。因此本文的研究目的是在a g 含量低于1 w t 的基础上，探 讨钎料中c u 含量与钎料性能的关系，从而为开发更高性价比的低银钎料提供 建议和理论支持。 哈尔滨理丁人学丁学硕f j 学f t 论文 本课题为了改善钎料的焊接性能及综合力学性能，在低银s n a g - c u 合金 中添加了微量的n i 和b i 元素，本文在此基础上研究钎料中c u 含量( 叭= 0 3 ， 0 5 ，0 7 ，1 0 ，1 5 ) 与钎料性能的关系。具体内容如下： 1 通过分析钎料中c u 含量变化与s n - a g x c u n i b i 钎料的熔点、润湿性 能的关系，选择出熔点较低、润湿性好的钎料组成。 2 通过对比焊点时效前后，钎料中c u 含量与s n a g x c u n i b i c u 焊点界 面i m c 层厚度、形貌及i m c 层组成的关系，选择出微观组织细小、抗老化性 能较好的c u 含量。 3 分析回流焊后，钎料中c u 含量对s n a g x c u n i b i c u 焊点剪切强度、 显微硬度的影响，总结出c u 含量变化与焊点力学性能的关系，并得出最佳力 学性能时，钎料中的c u 含量。 4 进一步以n i 为焊盘，分析c u 含量变化与s n a g x c u - n i b i 钎料在n i 焊盘上的焊接性能及力学性能的关系，具体是指分析时效前后，钎料中c u 含 量对s n a g x c u n i b i n i 焊点界面i m c 层厚度、形貌及i m c 层组成的影响， 得出c u 含量的变化与s n a g x c u n i b i n i 焊点界面i m c 的关系；并且分析回 流焊后，钎料中c u 含量对s n a g - x c u n i b i n i 焊点剪切强度、显微硬度的影 响。 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论义 2 1 引言 第2 章实验方法及设备 s n a g - c u ( s a c ) 系无铅钎料由于其相对较低的焊接温度及较高的可靠性， 被认为是传统s n p b 共晶钎料最为适合的替代品。但目前市面上此类钎料主要 还存在成本高，钎焊工艺性能较差等缺点。因此，开发一种含a g 量低( 小于 1 ) 、可靠性高的新型低银无铅钎料尤为必要。然而，目前还缺乏对于低银 s a c 无铅钎料的系统研究。本课题组在最近两年内做了很多关于低银无铅钎料 的研究，主要包括： 1 卫国强掣3 4 i 研究了a g 含量对低银无铅钎料s a c 熔点、润湿性及力学性 能的影响，结果表明：当a g 含量为o 8 w t 时，钎料的熔点及润湿性比较理 想。 2 王玲玲f 3 5 】、颜廷亮f 3 6 】等人研究了n i 元素对低银无铅钎料s a c x n i 界面 i m c 及力学性能的影响，结果表明：添加少量的n i 能有效抑制界面i m c 的长 大。 3 权延惠旧、胡文刚【3 s 】等人研究了b i 元素的添加能降低钎料的熔点。 因此本课题选择在课题组原有的基础上，即a g 含量为0 7 w t ，并同时添 加元素n i 和b i ，来研究c u 含量的变化对钎料熔点、润湿性以及与焊点界面 i m c 和焊点的力学性能的关系。 2 2s n a g - x c u n i b i 钎料合金的制备 2 2 1 实验材料 制备s n a g x c u n i b i ( x = 0 3 ，0 5 ，0 7 ，1 0 ，1 5 ) 钎料合金各2 0 9 ，钎料中的 s n 和b i 为纯度9 9 9 9 粒状颗粒，a g 和c u 为纯度9 9 9 9 的细丝状，n i 为粉 末状。在使用之前所有原材料均使用稀盐酸溶液去除实验材料的表面氧化膜， 然后在空气中晾干。各成分采用精度为0 0 0 1 9 的电子天平称量，实验中的a g 含量低于1 0 w t ，n i 以及b i 在钎料中的质量百分比受本实验室的专利保护， 具体含量不变公布。 哈尔演理t 人学丁学硕f ：学位论文 2 2 2 实验方法与设备 本课题中钎料熔炼采用高频感应加热机作为热源，用石英管作为熔化器 皿，惰性气体氩气进行保护。可以避免钎料熔化过程中的氧化。为了使钎料成 分更加均匀，本实验重复熔炼了三次。三次重熔后钎料的质量变化如表2 1 所 示。 表2 - 1 试样熔炼前后的质量对比 t a b l e2 1c o m p a r et h eq u a l i t yo ft h es a m p l eb e f o r ea n da f t e rm e l t i n g 试样材料 原始试样质量( g )三次熔炼后的质量( g ) s n a g 0 3 c u - n i - b i 1 9 9 9 81 9 5 9 4 s n a g 0 5 c u - n i b i 2 0 0 2 01 9 5 9 0 s n - a g - 0 7 c u - n i b i 2 0 0 1 71 9 5 8 7 s n - a g - 1 0 c u - n i - b i 2 0 0 0 81 9 5 7 5 s n - a g - 1 5 c u - n i b i 2 0 0 0 11 9 5 7 3 通过表2 1 可知：本钎料在三次熔炼后总质量下降了0 5 9 ，这说明在熔炼 过程中，低熔点的锡有所烧损。 合理的工艺流程才能保证实验的顺利进行，本实验的钎料制备过程如图2 1 所示，为了防止在冷却过程中，热量过于集中以及钎料和石英管的热膨胀系 数的差别导致石英管的破坏，本实验在熔炼结束后将石英管倾斜，从而使钎料 与石英管的接触面积增大，可以减少因为热量过于集中导致的石英管的破裂。 图2 2 是熔炼后铸锭的照片，图2 2 a 是未使用保护气熔炼的钎料铸锭，图2 2 b 是在氩气保护下熔炼的钎料铸锭。从图中可以看出保护气氛对钎料熔炼的作用 效果，未使用保护气氛熔炼的钎料铸锭表面已经有明显的氧化膜。 图2 1 工艺流程 f i g 2 - 1p r o c e s so fs o l d e rb u l km e l t i n gf l o w 放原料 预通氩气 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 2 3 熔点测试 一u a ) 无保护气b ) 有保护气 图2 - 2s n a g c u n i b i 合金 f i g 2 - 2t h es n a g c u n i - b ia l l o y 2 3 1 熔点测试原理 熔点是钎料合金的基本性能之一，是决定钎料实际钎焊时峰值温度的基本 参数1 39 i 。在钎料的熔化过程中，钎料的熔化开始温度即钎料的固相线温度就是 钎料的熔点，在合金相图上的固相线温度和液相线温度的温度差值就是熔化的 温度范围即熔程。本课题的钎料的熔点采用差示扫描量热法d s c 测量。该设 备的测试系统能输出钎料在熔化过程中热流的变化率，并在其自动生成的d s c 曲线上清晰的表现出来。在d s c 曲线上能直观的看出钎料在熔化过程中热流 的变化情况。图2 3 是一种低银无铅钎料的熔化d s c 曲线。曲线上的热流开 图2 - 3 钎料s n a g - 0 5 c u - n i b i 的热流变化曲线 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f d s cp o w e rc o m p e n s a t e de q u i p m e n t 哈尔滨婵- i - 人学丁学硕l 学位论文 始突变时( a 点) 的温度值即为钎料的熔化开始温度。熔化结束温度即为曲线上 的b 点。 2 3 2 熔点测试步骤 1 准备样品。先将熔化完成的钎料去除表面的氧化膜，然后将少量钎料块 磨成碎末，用精度为0 0 0 0 1 9 的分析天平称取5 1 0 m g 样品。然后将样品小心 的放入铝器皿中，然后加盖并用手压实。 2 接通电源，打开熔点测试系统，设置初始温度、结束温度以及升温速 率。 3 打开炉盖，将装有试样的铝皿放入样品池，关闭炉盖，按下升温键，测 试开始。 4 升温至设置的结束温度时，试样熔点测试结束，然后按下降温按钮开始 降温，直到将至室温。 5 打开炉盖，并取出试样。保存实验数据。 2 4 润湿性测试 2 4 1 润湿性测试原理 所谓钎料的润湿，就是指钎料在助焊剂的作用下，通过加热至钎料熔点温 度以上3 0 5 0 c 后，固液相界面取代固气相界面，从而降低钎料体系的自由能 的过程。即液态钎料与母材接触后，钎料将母材基板表面的气体排开，形成 新的固液界面的过程。 目前，润湿性测量表征方法主要有铺展面积测量法、润湿角测量法和润湿 力测量法等，它们各自有自己的原理、方法、优点和缺点，缺乏公认统一的方 法。铺展面积法是把一定量的焊料在规定的母材板上扩展以测定扩展面积。扩 展面积越大表示可焊性越好。下面主要介绍润湿角法和铺展面积法的作用原 理：根据y o u n g 氏方程 c o sp = ! ! 兰二垒 盯i g ( 2 1 ) 式中：矽为钎料与母材基板的润湿角。润湿角的大小反映了钎料的润湿能力。 哈尔滨理t 人学t 学预f j 学位论史 当润湿角汐= 0 0 时，为完全润湿；当0 0 8 9 0 。时，为润湿；当9 0 0 8 1 8 0 0 时，为不润湿；当0 = 1 8 0 。时，为完全不润湿。因此，为了保证钎焊时有良好 的焊接接头，要求润湿角目应小于2 0 0 。 铺展面积法是指：通过测量钎料在加热后，钎料在母材基板上的铺展面积 的大小来反映钎料的润湿性能。该方法是最简单的反映钎料润湿性的方法。 2 4 2 测试方法及步骤 本实验参考国标g b l l 3 6 4 8 9 ，测量相同质量的钎料在相同的焊盘上的铺 展面积来间接反映钎料的润湿性，实验方法如下： 用分析天平分别称取5 种成分的钎料各2 0 0 r a g ，然后用甘油将五种钎料熔 化成b g a 小球，并且用无水乙醇超声清洗掉钎料球表面的甘油，然后烘干备 用。选取纯度为9 9 9 的c u 板，将其剪成4 0 e m 4 0 c m 规格，并用稀赫酸清 洗掉表面的氧化膜，然后用酒精清洗残留的盐酸，然后烘干备用。从冷藏室中 取出已经配置好的中度活性助焊剂，室温放置至少两个小时以恢复活性。 将熔炼好的钎料球置于处理好的c u 焊盘上，滴加少量助焊剂，本实验的 加热装置为t r 3 4 0 c 全热风无铅回流炉进行加热，设备的使用方法如下：首先 打开电源并开启设备控制软件，然后设定回流焊工艺曲线：升温区为1 7 0 ， 保温区为2 3 0 ，回流区为2 5 0 ，冷却区为1 6 0 ，焊接时白j5 4 0 s ，待实际 温度达到设定温度后，将试样放入t r 3 4 0 c 八温区无铅回流炉中进行焊接，该 焊机该焊机采用热风对流加热，八温区为上下各4 温区设置，每种成分钎料制 备3 个大的焊点，共制备1 5 个c u 焊盘焊点。 2 5 焊点的制备 2 5 1b g a 钎料球的制作 首先用2 0 0 0 目的砂纸去除钎料块表面的氧化膜，然后将钎料块剪成碎 术，并且用无水乙醇超声清洗并晾干备用，将分析纯的甘油倒入平板电炉的坩 埚中，然后用镊子将钎料碎末放入甘油中，用平板电炉加热到2 8 0 摄氏度，待 钎料熔化后，关闭电炉电源，待钎料球凝固后用镊子取出钎料球。最后把钎料 球放入无水乙醇中，用超声波清洗掉钎料球表面的甘油后，然后取出晾干。制 作b g a 钎料球的平底坩埚和制得的b g a 锡球如图2 4 a ) 、b ) 所示。 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论义 h 爹参。j 。 a ) 焊球制作设备b ) 制备好的焊球 图2 4 焊球及制作设备 f i g 2 - 4s o l d e rb u m pa n dp r o d u c t i o ne q u i p m e n t 2 5 2 温度曲线的设定 回流焊的温度曲线是能否形成可靠的焊点的一个最主要的工艺参数，其中 包括4 个温度区间：升温区一保温区一回流区一冷却区。各个温度段的设定原 则及作用如下： 升温区：通过缓慢加热的方式使印刷电路板从室温加热到助焊剂的活性温 度，一般为( 1 3 5 1 7 0 。c ) ，升温速率一般为1 34 c s ，如果该温度区间的温度设置 的太高，将会导致助焊剂提前挥发，在后续的加热过程中起不到阻止氧化膜生 成的作用，本实验设定的升温区为1 7 0 。 保温区：通过保持相对稳定的温度使锡膏内的助焊剂发挥作用并适当散 发，并使印刷电路板的各个期间的温度相同，本实验设定的保温区为2 3 0 。 时间一般控制在3 0 一9 0 秒左右。 回流区：炉内的温度达到最高点，使钎料液化，与母材基板形成合金即界 面化合物( i m c ) 。其峰值温度不宜超过2 3 0 。c ，如果该温度区间时问较长，则 i m c 层较厚、焊点较脆。一般控制在3 0 9 0 秒。本实验回流区温度为2 5 0 。 冷却区：对完成焊接的线路板进行降温，通常设定为3 - 4 。c s ，如果速率过 高会使焊点出现龟裂显现，过慢则会加速焊点氧化，理想的冷却曲线和回流区 曲线成轴对称关系，越是靠近这种关系，焊点达到固态的结构越致密，得到焊 接点的质量越高。 图2 5 是本实验所用到的温度曲线，曲线中的温度分别是升温区( 1 7 0 。c ) 、 保温区( 2 3 0 。c ) 、回流区( 2 5 0 。c ) 、冷却区( 1 5 0 。c ) 。 一 喻尔滨理丁人学t 学硕j j 学位论文 图2 5 同流焊温度曲线 f i g 2 - 5r e f l o wt e m p e r a t u r ep r o f i l e 2 5 3i m c 试样的制备 取焊盘直径为o 8 6 m m 的p c b 板作为基板，首先用稀盐酸去除焊盘表面的 氧化膜，然后用无水乙醇清洗3 分钟，晾干备用。选取直径为0 9 4 r a m - 0 9 6 m m 的锡球，在助焊剂的作用下，通过回流炉加热形成焊点，然后将焊点用环氧树 脂镶嵌，经过粗磨、细磨、抛光后制备成金相试样。金相试样用体积比为 c h 3 c h 2 0 h ：h c i = 1 5 ：1 的腐蚀液腐蚀5 s ，然后将处理好的试样在o l y m p u s 多 功能光学金相显微镜下观察组织形貌，图2 - 6 是s n - a g c u c u 焊点界面i m c 的典型扇贝状形貌。 图2 - 6 焊点界面i m c 的截面形貌 f i g 2 - 6t h es e c t i o nm o r p h o l o g yo f t h es o l d e rj o i n ti n t e r f a c e 2 5 4 深腐蚀技术 深腐蚀技术是一种新型的研究方法，对于焊点，深腐蚀技术是指通过腐蚀 哈尔滨理_ t 人学j r j 学坝j ：学位论文 液较长时间的腐蚀焊点，随着时问的延长，腐蚀液可以将焊点中的钎料基体逐 渐腐蚀掉，露出焊点中的i m c 及焊点界面的i m c ，这样可以直观的观察到 i m c 的微观结构的立体形貌。这样可以较全面的得出i m c 的信息。 本实验采用氢氟酸和盐酸的混合熔液深腐蚀焊点，腐蚀后用酒精超声清洗 然后烘干。采用f e is i r i o n 扫面电子显微镜观察界面i m c 的三维立体形貌。图 2 7 是焊点深腐蚀后的立体形貌照片。 图2 7 焊点深腐蚀后的形貌 f i g 2 - 7t h em o r p h o l o g yo ft h es o l d e rd e e p - - e t c h e d 2 6 焊点力学性能测试试样制备 2 6 1 剪切强度测试 随着电子封装器件在汽车、手机等移动设备中的应用，焊点常常会由于热 失配、或者冲击、振动等原因发生剪切破坏，造成焊点的失效。因此焊点的抗 剪切强度是评价焊点可靠性的一种非常重要的指标之一。本实验采用劈刀推焊 点的方式来测试焊点的剪切强度。测试原理示意图如图2 8 a 所示，图2 8 b 是 焊点剪切后的断口立体形貌。 实验中的剪切高度设置为2 0 9 m ，剪切速度采用6 0 1 t m s 。进行剪切力测试 时，采用完全推断焊球的形式，每一种材料的焊点分别取1 0 个相同直径的 b g a 钎料小球，其中焊球直径值为焊盘直径的1 2 倍，然后采用相同的焊接参 数焊接而成，焊点进行剪切力测试后，分别对每个焊点求剪切强度，然后求平 均值，计算剪切强度。 剪切完成后，对剪切断口做立体形貌观察，分析焊点的断裂形式及焊点的 喻尔滨理t 人学t 学硕一l 学位论文 断裂面位置。 a ) v 一 ?； 旭_ ，v 、，v p i； l。 i i a ) 剪切实验示意图b ) 剪切试样断口形貌 图2 - 8 剪切实验示意图及剪切断口的立体形貌 f i g 2 8s h e a rt e s ts c h e m a t i ca n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o r p h o l o g yo fs h e a rf r a c t u r e 2 6 2 纳米压痕测试 纳米压痕技术具有试样制备简单、操作方便等优点，近2 0 年来已经成为 一种先进的微尺度力学测试技术，是材料科学和表面科学中检测和表征微观力 学性能的主要手段之一。 本文对不同c u 含量的焊点横截面进行纳米压痕测试，主要目的是为了分 析c u 含量对焊点显微硬度的影响，保持试样的上下表面平行，且厚度在l c m 左右即可进行进行纳米压痕测试。实验设备如图2 - 9 所示，采用此设备对s n - a g x c u n i b i c u 、n i 焊点中的基体进行显微硬度和杨氏模量的测试。实验中 的加载速率为6 7 m n s ，满载加载时问为1 0 s ，加载力为5 0 m n 。 a ) 纳米压痕测试仪b ) 硬度测试后试样表面形貌 图2 - 9 纳米压痕测试设备及测试后试样表面形貌 f i g 2 - 9n a n o - i n d e n t a t i o nt e s t i n ge q u i p m e n ta n ds i l l f a c em o r p h o l o g yo ft h es a m p l e s 一些型坚丝至丝丝篁二一! ! ! ! = = ! 昌= = = = = = = 皇喜! 目e ! ! ! ! ! 皇! ! 暑s ! ! ! ! ! e = = = = = = = ；5 5 。一 2 7 本章小结 1 测试了钎料的熔点、润湿性及确定了回流焊工艺参数，制备了观察焊点 i m c 的截面形貌和立体形貌的试样。 2 制备了测试焊点剪切强度及显微硬度的试样，并确定了实验方案和参 数。 哈尔滨胖t 人学t 学硕l ：学化论文 第3 章c u 对s n a g x c u n i b i 钎料熔点、润湿性及 显微组织的影响 3 1 引言 钎料的熔点、润湿性是钎料的两项重要的性能参数指标。目前市面上的钎 料还面临着熔点偏高、润湿性较差等缺点。严重制约了无铅钎料的应用和发 展。因此设法降低钎料的熔点和改善钎料的润湿性仍然是开发无铅钎料的重 点。本课题组前期做了很多关于改善钎料熔点、润湿性的工作，结果发现，通 过在钎料中适当添加微量元素b i 能有效的降低钎料的熔点，添加适当的n i 元 素能改善钎料的润湿性。因此，本章在钎料中同时添加n i 和b i 元素，然后分 析c u 含量变化对钎料s n a g - x c u n i 。b i ( x = 0 3 ，0 5 ，0 7 ，1 0 ，1 5 ) 的影响。并且观 察c u 含量变化对钎料微观组织的影响。 3 2s n a g x c u - n i b i 钎料的熔点分析 图3 1 是