（材料加工工程专业论文）la对低银无铅钎料sn03ag07cupad焊点界面与性能的影响.pdf

l a 对低银无铅钎料s n 0 3 a 9 0 7 c u p a d 焊点界面和 性能的影响 摘要 随着钎焊技术的进步及人们环保意识的增强，开发性能、成本均理想绿 色无铅钎料合金成为目前研究热点。s n a g c u 系钎料因具有良好的性能成为 目前最有潜力替代s n p b 钎料的合金体系，但实际应用中仍存在如熔点过 高、润湿性差等问题。本文在低银无铅钎料s n 0 3 a 9 0 7 c u 的基础上，添加 稀土元素l a ( 0 0 2 5 w t ) 对钎料的显微组织、熔化特性、润湿性能、焊点界 面i m c 及剪切性能进行了系统的研究。 采用差示扫描量热法d s c 与铺展面积法测量无铅钎料合金的熔点与润 湿性。研究表明：s a c 0 3 0 7 x l a 钎料的熔点变化不大，适量的l a 使得焊点 铺展后面积变大，焊点的表面质量变好，钎料的润湿性提高。 通过对时效过程中s a c 0 3 0 7 - - ) l a ，n i 与s a c 0 3 0 7 一x l a c u 界面i m c 的变 化规律的分析，发现界面i m c 的总厚度均随时效时间的增加而增厚，且在 相同的时效条件下随l a 含量的增加而减小。在时效过程中，s a c 0 3 0 7 一 x l a f n i 生成的界面i m c 为( c u l 。n i 。) 6 s n 5 ，界面化合物形态由锯齿状向蠕虫 状转变；s a c 0 3 0 7 c u 重熔后的i m c 为c u 6 s n s ；w ( l a ) 为0 0 7 w t 时，在时 效过程中对界面i m c 的焊点的i m c 厚度最小，生长速率最低，抑制效果最 明显。 本文借助于p t r l l 0 0 结合强度测试仪分析了l a 对s a c 0 3 0 7 c u 剪切 强度的影响，揭示了时效过程中焊点断裂形式与断裂位置的变化规律。结果 表明：随着时效时间的增加，s a c 0 3 0 7 x l a c u 焊点的剪切强度下降，相同 时效时间里随着w ( l a ) 增加，剪切强度先升后降，但w ( l a ) 为0 0 7 w t 时焊 点剪切强度一直高于其他l a 含量的钎料。s a c 0 3 0 7 一x l a c u 焊点断裂形式 由韧性断裂一韧脆混合断裂，断裂位置由钎料内部一钎料与钎料界面处。 s a c 0 3 0 7 c u 焊点剪切强度与焊点的体积具有显著的体积效应。焊点体积越 小，焊点的剪切强度越大。 关键词s n 0 3 a g o 7 c u x l a ；熔点；润湿性；界面化合物；剪切强度 e f f e c to fl aa d d i t i o no ni n t e r f a c i a lr e a c t i o na n d p r o p e r t i e so fs n 0 3 a 9 0 7 c us o l d e r a bs t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fb r a z i n gt e c h n o l o g y a n dp r o g r e s so fp e o p l e s e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n c o n s c i o u s n e s s ，w h i c he x p l o i t i n g i d e a lc o s ta n d p r o p e r t yo ft h e n e wg r e e nl e a d f r e es o l d e rh a db e e o m eah o ts t u d y t h eg o o d p e r f o r m a n c eo fs r t a g c us o l d e rh a dt h em o s tp r o m i s i n ga l t e r n a t i v et os n p bs o l d e r a l l o y b u tw i d e l yu s e ds n a g c up b f r e es o l d e r ss t i l lh a v es o m ed e f i c i e n c ys u c h 笛 r e l a t i v e l yh i g hm e l t i n gp o i n t ，p o o rw e t t a b i l i t y , e t e t h e p a p e rw a sb a s e d o n s n 0 3a 9 0 7 c ul o ws i l v e rs o l d e r s ，t h e na d d i n ge l e m e n tl a ( 0 - 0 2 5 w t ) t oa l l o y s s y s t e m s t u d ys o l d e rm i c r o s t r u c t u r e ，m e l t i n gp r o p e r t i e s ，w e t t a b i l i t y ，g r a m m o r p h o l o g yg r o w t hr a t ei n 血ei n t e r f a c i a li m c a n ds h e a rp e r f o r m a n c e t h em e l t i n gp o i n ta n dw e t t a b i l i t y w e r em e a s u r et h r o u g hd i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t r ya n ds p r e a d i n g a r e am e t h o d t h er e s u r ss h o w e dt h a t m e l t i n gp o i n to fs n 0 3 a g o 7 c ua l m o s tu n c h a n g e dw i t ht h e l ac o n t e n tc h a n g i n g ， t h ea p p r o p r i a t el aa d d i n gi ns a c 0 3 0 7s o l d e rm a d es p r e a da r e al a g e r , b e t t e r s u r f a c eq u a l i t ya n de n h a n c e dw e t t a bi l i t yo fs o l de rj oi n t s t h ea n a l y s i so fv a r i a t i o nr e g u l a rp a t t e r no ft h ei n t e r f a c ei m ci ns a c 0 3 0 7 - x l “n ia n ds a c 0 3 0 7 一x l a c ui n d i c a t e dt h a tt h et o t a li m ct h i c k n e s si n c r e a s e d w i t ha g i n gt i m e ，a n dd e c r e a s e da si n c r e a s i n gl ac o n t e n tu n d e rt h es a m ea g i n g c o n d i t i o n o nm en ip a d ，t h ei m c ( c u l 嚷n i x ) 6 s n sw a ss t o r m - l i k e a f t e ra g i n g ， s a c 0 3 0 7 一x l a n ii n t e r f a c ei m ci s ( c u i 。n i x ) 6 s n s t h em o r p h o l o g yo fi m c t r a n s f o r mj a g g e dt os t o r m - l i k e s a c 0 3 0 7 一x l a c ui n t e r f a c ei m ca f t e rr e f l o w i n g i sc u 6 s n 5 ，a f t e ra g i n g9 6 h ，an e wc u 3 s nl a y e ra p p e a r sb e t w e e nc u a n dc u 6 s n 5 t h et h i c k n e s so fi m ca n dt h eg r o w t hr a t e a r es m a l l e s to fa l la ta g i n gp r o c e s s w h e na d d i n g0 0 7 l a w t a c c o r d i n g t o j o i n t i n gs t r e n g t h t e s t e rp t r l1 0 0a n a l y s i s s h e a rs t r e n g t h s a c 0 3 0 7 c ua d d i n gt oe l e m e n t sl a t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h e a rs t r e n g t h o fs n 0 3 a 9 0 7 c u - x l a c ud e c r e a s ea l o n gw i t hi n c r e a s i n g o fa g i n gt i m ea n d i i 哈尔滨理丁大学丁学硕十学化论文 r i s e st h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fl ac o n t e n t ，w h e ni t i s0 0 7l a 研， t h es h e a rs t r e n g t hi ss t i l lh i g h e s t t h ef r a c t u r et y p e so fs o l d e rj o i n tc h a n g ef r o m d u c t i l ef r a c t u r et od u c t i l e b r i t t l ef r a c t u r es a c 0 3 0 7 - x l a c u t h ef r a c t u r ep o s a i o n o fs o l d e rj o i n t sc h a n g e sf r o ms o l d e r st ob e t w e e ns l o d e f sa n di m c s o l d e rj o i n t s h e a rs t r e n g t hw i t has i g n i f i c a n tv o l u m eo fs o l d e rv o l u m ee f f e c t t h es h e a r s t r e n g t h so fs a c 0 3 0 7 c ua r e ra s r e f l o w e ds o l d e rj o i n t sd e c r e a s e w i t hi n c r e a s i n g t h es o l d e rj o i n t sv o l u m e s k e y w o r d s l e a d - f r e es o l d e r , m e l t i n gp o i n t ，w e t t a b i l i t y ，i n t e r r a c i a lr e a c t i o n ， s h e a rs t r e n g t h i i i 哈尔滨理t 大学t 学硕士学化论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着电子封装与组装技术的迅速发展，使得对钎焊的性能要求也不断提 高。目前电子产品正向小型化，轻量化，多功能化方向发展，这就要求电子产 品中焊点越来越小，这样焊点所需承载的力学、电学和热学负荷越来越重，对 其可靠性要求日益提高。同时，由于传统锡铅钎料中p b 对人类环境的危害，因 此对性能、成本均理想绿色无铅钎料合金的研制成为目前研究热点f l a 。 目前，对于无铅钎料的应用与研究研究较多的是s n - a g c u 、s n - z n a g 、 s n - a g b i 等三元合金或其基础上衍生的多元合金，其中s n - a g - c u 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 3 - 7 1 。然而，目前研究的s n a g c u 系钎料合金中都属于高银型 无铅钎料，如日本j e i t a 推荐的s n - 3 0 a g 一0 5 c u ，欧盟推荐的s n - 3 s a g - 0 7 c u 和美国n e m i 推荐的s n - 3 9 a g 0 6 c u g - l o l 。这些钎料相对s n - p b 存在熔点太高、润 湿性不良、成本较高，焊点可靠性不稳定等问题，同时较高的a g 含量将导致焊 接接头界面化合物的脆性增高，抗老化能力下降，所以本课题在降低银含量的 同时，添加第四种微量元素以改变钎料的综合性能。 1 2s n a 9 0 1 系钎料合金的简介 s m a g - c u 钎料有良好的延展性，外观光亮，从熔点，润湿性，力学性能 等综合性能角度分析，s m a g c u 系列钎料合金是目前替代s m p b 共晶钎料的 首选合金。s m a g c u 钎料是在s n - a g 的基础上添加了c u 元素，这样可以降低 钎料的熔点，增强钎料的润湿性能，使基底c u 向钎料的扩散速度减慢阀， 同时又具有较优良的力学性能。其中焊料中a 9 3 s n 相成网状结构，富s n 相被 a 勘s n 相包覆，使得焊料具有较高的剪切强度、韧性以及高温组织稳定性。因 此，s n - a g c u 系有着较合适的工业生产实用性，是用于大多数场合的s n p b 钎 料的最好的替代品合金，有着很好的工业应用前景。 但s n - a g c u 系在实际应用过程中，存在表面张力大、润湿性差、熔点高 等问题，另外，该系钎料共晶点还没统一，其液相线温度和固相线温度存在着 哈尔滨理r t 大学t 学硕十学化论文 一定间隔，封装或组装过程中，钎料往往处于部分熔融或凝固的状态，易导致 虚焊( 1 i f t o f f ) 。对s t 卜a g c u 系合金的研究情况如下表所示： 表l 一1 典犁s n - a g - c u 无铅钎料合金系列 t a b 1 - 1l e a d - f r e es o l d e ra l l o y sb ye x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o n 钎料系 熔化温度( ) 优点缺点 润湿性良好，抗疲劳性能熔点较高，成本较 s n 3 8 a 9 0 7 c u 2 1 7 良好，对铅污染不敏感高 润良好的物理和力学性 s n 3 0 a 9 0 5 c u 2 1 7 - 2 1 9 熔点较高 能，良好的可靠性 s n 2 0 a 9 0 5 c u - 1 8 6 - 2 1 2 润湿性好、剪切强度较高 延伸率低，对铅敏 7 5 b i 感，成本高 熔点较高，熔程较 s n 0 3 a 9 0 7 c u 2 2 l 一2 2 3 成本低， 大 1 3s n 系无铅钎料焊点界面的研究现状 1 3 1s n 基钎料与焊盘的界面反应 钎料在界面上形成的i m c 对焊点可靠性的起着重要作用。由于金属元素 在不同基板上具有不同的扩散能力，而i m c 的分布生长主要是由钎料合金成 分与金属元素的扩散能力决定的，所以了解基板与钎料之间的反应非常重要。 在电子封装组装中，铜、镍等金属的使用非常广泛，如铜常被用作引线 框架、元器件的引脚、p c b 板上的焊盘等，镍常被用作元器件引脚和p c b 上 焊盘上的表面镀层。在封装组装过程中，焊料中的锡元素和铜、镍金属在焊 接和服役过程中将会发生界面反应，主要是c u - s n 和n i o s n 之间的反应。下面 将主要对s a c 钎料与c u 盘，n i 的反应进行研究探讨。 1 3 1 1s n 基钎料合金与c u 盘的界面反应s n 基钎料合金与c u 基体焊接时所 形成的界面，所形成的化合物从c u 侧依次形成c u 3 s n ，c u 6 s n 5 两层金属间化 合物。而对于钎料中所形成的金属间化合物，则基本上取决于钎料合金的成 分，所不同的是s n - a g - c u 钎料形成了两种金属间化合物即c u 6 s n 5 和a g s s n 而 s n - 3 5 a g 只形成a 9 3 s n 。这是因为c u 得添加为形成c u 6 s n 5 的提供了机会。下 面几种钎料与c u 界面的放应： 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 s n - 3 s a g 钎料合金和c u 的界面反应：s n - 3 s a g 共晶钎料是一种熔点高的 无铅钎料合金，它是由l u m 以下的微细的针状的a 9 3 s n 分散在钎料中。由于 s n 和a g 几乎是不同溶的，所以一旦形成a g ，s n 就是稳定的化合物，即使在高 温下也不容易粗化，故其耐热性好。在c u 界面形成两层的化合物，靠近c u 一侧依次是c u 3 s n ，c u 6 s n 5 。c u 3 s n 比较薄而且平坦，c u 6 s n 5 厚呈岛状结构。 当连接部受到外力作用时，界而的高强度应力最易集中发生在凹凸的界面处， 而不会在平坦的界面上形成。因此可以分析得出，结合处的c u 6 s n ，是最容易 发牛断裂的地方。 s n c u 钎料合金与c u 的界面反应：当采用s n - c u 钎料合金和基体c u 焊 接时，其界面反应所形成的金属间化合物是c u 。s n ，c u 6 s n 5 ，此时在钎料中形 成的大颗粒的柱形的c u 6 s n 5 。 s n - z n 和c u 的界面反应：含动的合金的润湿性都非常差，且接触角都很 大。这与盈很强的氧化性有很大关系，且整个系统的表面能也很高。s n - z n 钎料合金和c u 基材焊接时，和其他s n 基钎料合金所形成的界面反应有很大的 差异。所形成的化合物靠近c u 的一侧开始依次是c u z n 和c u c a s 层。 s r 卜a g - c u 和c u 的界面反应：s n - a g c u 在c u 界面再流焊后生成的界面化 合物为c u 6 s n 5 ，在c u 与c u 6 s n 5 之间由于时效的过程中c u 的扩散而生成 c u 3 s n 。s n - a g c u 钎料与c u 基板间形成m c 主要是三类即c u 6 s n 5 、c u 3 s n 和 a 9 3 s n ，c u 6 s n 5 、c u 3 s n 会出现分层现象，a 9 3 s n 会在界面以棒状或针状伸向钎 料基体内部。研究表明【l ， 1 棚：c u c u 3 s n 或c u 3 s n c u 6 s n 5 界面处由于c u 在 c u 3 s n 和c u 6 s n 5 两种金属间化合物薄层扩散而形成k i r k e n d a l l 空洞，在高温老 化过程中使机械连接强度快速减弱。s k k a n g o s 研究表明分布在焊点界面处伸 向钎料基体内部的粗大的条块状的a g ；s n 会严重影响焊接处的力学性能。 1 3 1 2s n 基钎料与n i 的界面反应镀n i 在电子元器件中应用很广。一般采 用在n i 层上面镀a u ，防j ：n i 层钝化，此层在焊接过程中完全溶入液态钎料 中。就其实质而言，镀n i 是主体，它构成了在焊接过程中基体c u 和钎料之间 的阻挡层，以阻挡c u 向钎料中扩散。在界面处，s n 和n i 反应生成n i 3 s n 4 等 界面化合物。 1 3 2 合金元素对s a a g c u 系钎料界面化合物的影响 界面化合物作为连接软钎料合金中的锡可与印制电路板上的焊盘之间的桥 梁，对焊点的可靠性起着非常重要的作用。不同种类的合金元素对焊点界面化 哈尔滨理工大学t 学硕十学化论文 合物的成分与长大影响不同，下面将阐述几种合金化元素对钎料与基板钎焊后 i m c 的影响： c u 含量对s n a g c u 钎料的影响：h o 1 6 报道了s n - 3 9 a g x c u 系钎料与n i 基板反应c u 的含量对生成的i m c 成分的影响。反应l o 分钟，c u 含量低于 o 2 w t 时，界面处只生成一层连续的( n i l 嚷c u 。) 3 s n 4 化合物。当c u 的含量增加 到0 4 w t 时，生成连续的n i l 艰c u x ) 3 s m 和少量的不连续的( c u l _ y n i v ) 6 s n 5 层。当 c u 的含量达到0 5 w t 时，( c u l 科i y ) 6 s n 5 化合物厚度增加并且变成连续的层， 在( c u l 抖i y ) 6 s n 5 下面有一层非常薄的( n i l 噶c u x ) 3 s n 4 化合物。c u 含量在0 6 - 3 0 w t 使，州i l 戒c u 0 3 s n 4 化合物消失，只剩下( c u , 寸n i 0 6 s n 5 层。 a g 元素对钎焊后i m c 的影响：a 9 3 s n 粒子附在界面i m c 上，不进入金属 间化合物层 1 7 1 。l i i l 【i b 】介绍了s n - x a g 0 5 c u 钎料在n i 板上不同含量的a g 对化 合物i m c 的影响。对于回流后s n - x a g 0 5 c u 钎料只生成( c u , n i ) 6 s n 5 。对于 s n - 3 0 a g 0 5 c u 和s n - 4 0 9 9 0 5 c u 老化一段时间1 0 0 5 0 0 h 后生成老化 ( n i ，c u ) 3 s n 4 。对于s n - l a g 0 5 c u 生成的( c u , n i ) 6 s n 5i m c 随着老化时间的变化 不敏感，a 9 3 s n 导致韧性断裂。 a u 元素对钎焊后i m c 的影响：目前大多数的c u 基板或n i 基板上面都镀 上a u ，a u 能使s n 的活度降低，同时也能促进c u 6 s n 5 的i m c 的生长能改变钎 料的界面能【t 9 l 。 b i 元素对钎焊后i m c 的影响：c h 9 2 0 l 对s n - 3 a g x b i 在c u 盘和n i 盘形成 的界面化合物进行了研究，发现b i 对界面化合物相成分的形成没有影响，但 是适量的b i 能有效的降低界面化合物的总体厚度。在靠近c u 盘上依次形成 c u 3 s n ，c u 6 s n 5 。在n i 盘，s n 原子由于扩散作用向n i 盘扩散而形成n i 3 s n 4 化 合物，同时在n i 与n i 3 s n 4 形成n i 3 s n 2 。 n i 元素对钎焊后i m c 的影响：王玲玲【2 l 】对s a c x n i 在c u 盘和n i 盘形成 的化合物进行了研究。研究表明在这两种不同的焊盘添加n i 都能抑制界面化 合物的长大。 稀土元素对钎焊后i m c 的影响：适量的稀土添加，细化p - s n 枝状组织， 由于稀土元素化学性质比较活泼，原子半径比较大，降低s a c 系钎料界面处 形成的界面化合物与焊盘之间s n 原子的活度，抑制界面化合物层厚度。此 外，钎料中形成稀土化合物在异相形核起着重要作用，它加速了固相相变的过 程，使液态钎料与焊盘之间的反应时间减小，有效的抑制界面化合物的厚度。 另外，稀土元素使焊料的流动性增强，使钎焊后接头外观更加美观，且改善钎 焊后接头的可靠性。 哈尔滨理丁大学丁学顾十学位论文 1 4 课题研究的目的和内容 1 a 1 课题研究的目的及意义 目前，低银s n 0 3 a 9 0 7 c u ( 以下均称s a c 0 3 0 7 ) 合金因其具有相对较好 的力学性能和较高的性价比，已经部分应用在电子组装和封装产业。但相对于 s n p b 钎料而言，其润湿性稍差、熔点稍高、焊点的可靠性不高。为了使其获 得更好的综合力学性能，利用多元微合金效应成为当前研究的主流嘲。在微电 子封装中，界面化合物( i m c ) 的生成和长大对焊点的可靠性有很大的影响， 薄且连续i m c 层能大大提高焊点的力学性能，但由于i m c 本身固有的脆性， 太厚的i m c 会产生较大的内应力从而使焊点失效例。适量稀土元素添加在无 铅钎料中能有效抑制i m c 的生长，细化组织，进而改善钎料的综合性能如润 湿性、结构的稳定性、力学性能等【2 鸵6 l 。 因此本课题在低银s a c 0 3 0 7 钎料基础上添加稀土元素l a ( x = 0 0 2 5 ) ， 研究不同含量的l a 对钎料的熔点、润湿性、组织、钎焊接头界面i m c 及剪切 性能的影响，分析不同含量的l a 的作用，以期获得综合性能最佳的低银无铅 钎料合金配比。 1 4 2 本课题研究的内容 ( 1 ) 研究低银无铅钎料s a c x l a 的d s c 熔化曲线，研究不同含量的【a 对 钎料的熔点、熔程变化规律。 ( 2 ) 研究l a 元素对低银s a c 无铅钎料在c u 板上的铺展行为，对钎料的 润湿性进行分析评价。 ( 3 ) 对s a c x l a 钎料合金的显微组织进行分析，分析l a 对显微组织的影 响。 ( 4 ) 研究新合金s a c x l a c u 与s a c x l a n i 在1 5 0 不同时效时间焊 点的界面行为。分析焊点微结构变化，界面化合物的演变及生长规律， 阐明界面金属间化合物形成机制。 ( 5 ) 研究l a 对重熔和时效焊点剪切强度的影响规律。用p t r 1 1 0 0 剪切强 度测试机对s a c x l a 钎料进行剪切强度测试，分析断口的形貌、组织，断 裂形式。 哈尔滨理下大学工学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章实验方法及原理 由于稀士元素具有很高化学活性和较大的原子半径，加入到有色金属及其 合金中可细化晶粒、防止偏析、除气、除杂和净化以及改善金相组织等作用， 即可起到变质、净化、细化组织的作用，进而可以达到改善合金机械性能、物 理性能和加工性能等综合目的。所以本文在低银s a c 0 3 0 7 钎料基础上，通过 添加0 0 3 0 2 5 w t l a ，研究界面处化合物生长行为及其规律与焊点的剪切性 能是非常重要的，以期得到综合性能良好的无铅材料。 2 2 钎料合金的设计与制备 2 2 1 钎料合金的设计 本课题之所以选择s a c 0 3 0 7 作为基体钎料是因为含较低a g 量的合金 s a c 0 3 0 7 具有最佳的平衡性能即强度、塑性、抗蠕变和抗疲劳性能。此外，从 成本考虑，s a c 0 3 0 7 也是最佳之选。但相对于s n - p b 而言，低银钎料 s a c 0 3 0 7 的熔点较高，润湿性不好，焊点的综合性能不高。为了进一步提高钎 料性能，目前普遍采取的方法是多元合金化，即向钎料中加入另一种合金来改 变原有钎料的不足。在查阅了大量的s n - a g c u 系无铅钎料中加入稀土的文 献，分析相关相图的基础上，本课题向低银s a c 0 3 0 7 加入l a ，以期寻找最佳 的匹配关系来改善钎料合金的综合性能。 南京航空航天大学的薛松柏等研究了向s n 3 0 a 9 0 5 c u 中添加微量稀土c e 对其物理与力学性能等的影响。结果表明，稀土c e 的添加达到0 1 w t 后，钎 料会产生脆硬的稀土化合物相，对s n - a g c u 合金的性能产生不利影响。中南 大学的卢斌等研究稀土e r 的较佳添加量为0 0 5 w t 0 2 5 w t ，对此时 s n 3 0 a 9 0 5 c u 钎料合金显微组织以及性能的影响最好。综合以上参考分析，借 鉴于上述研究结果，因此在钎料的选择上本课题采用低银型s a c 0 3 0 7 三元钎 料作为基础钎料，通过添加0 0 3 w t 0 2 5 w t 的l a 来研究l a 含量的变化对 s a c 0 3 0 7 钎料熔点、润湿性、焊点界面i m c 晶粒与长大与焊点剪切性能等的 6 哈尔滨理_ 丁大学丁学硕十学他论文 影响规律。 2 2 2 钎料合金的制备 本课题采用先熔炼s n - l a 中间合金的方法，再配比相应的s n ，a g ，c u 成 分进行熔炼。实验的仪器采用高频感应加热机，通入保护气体为氩气，将钎料 放在石英管中进行合金的加热制备。由于l a 极易氧化，在熔炼之前，通入氩 气排空空气，之后依次放入5 0 的s n 粒，打磨氧化膜后的s n - l a 合金，再按 比例放入a g 丝和c u 丝，最后放剩余的s n 粒将其它原料盖住。在加热过程 中，锡粒首先熔化，熔化后的锡将其他成分包裹起来，对钎料的氧化有一定的 防御作用，而且这样有利于合金彼此之间的扩散，使钎料熔炼的更加充分。启 动高频感应加热装置进行合金的冶炼，持续加热6 分钟以保证a g 、c u 的充分 溶解扩散。熔炼设备及过程的照片如图2 1 所示。 s a - i , a 0 + ：_ 渗+ 上+9 番。渺。僻锄t 瓤ha c a j i f 蠹 鎏 沪 图2 1 钎料合金的熔炼过程 f i g 2 - 1m e l t i n gp r o c e s s e so fs o l d e ra l l o y 2 3 钎料熔点测试实验 熔点作为钎料合金最基本的性能，是衡量钎料可焊性的标准之一。本实验 的六种钎料分别1 0 m g 的样品采用差示扫描量热法d s c 测量无铅钎料合金的熔 点。首先将样品与参比物放入相应的量热器中，相同测定条件下，参比物与样 品之间的能量差以信号的形式输出数据。最后将d s c 输出的大量数据经过 o r i g i n 进行图像处理，分析熔点与熔程的变化。 哈尔滨理t 大学下学硕十学位论文 2 4 钎料的润湿性测量实验 液态钎料在基板上的浸润行为是形成良好焊点的前提，是影响焊点可靠性 的关键凶素。润湿主要是液体钎料在基板上铺展的过程，本实验采用铺展面积 法评定润湿性能，即一定质量的钎料放在基板上，测量钎料的铺展面积。其原 理如图2 2 所示。 图2 - 2 固体表面上液滴的表面张力平衡示意图 f i g 2 - 2s u r f a c et e n s i o no f t h ed r o p l e t 伽s o f i ds u r f a c e 依据y o u n g - l a p l a c e 方程变化得出作用原理如公式2 1 吒2 0 l 。+ o 1 9c o s 0 ( 2 - 1 ) 式中：o l g 为固体和气体介质问沿边界作用在液滴上的表面张力；( 3 1 。为在液固 界面上的表面张力。 2 5 界面金属间化合物的显微观察 2 5 1 钎料b g a 球的制作 首先用锉锉去钎料表面的氧化膜，把钎料剪成碎块，然后把碎块放入装有 甘油的坩埚中，用平板电炉加热到3 0 0 摄氏度，加热5 分钟之后把碎块用镊子 逐个放入热的甘油中，待碎块全部溶解成球形时，停止加热，冷却三分钟后用 镊子取出b g a 球。最后把b g a 球放入无水乙醇中，用超声波清洗3 分钟，取 出晾干，挑出实验所需要的各个尺寸b g a 。 2 5 2 焊点的制作 取厚度为0 5 r a m 的c u 片和n i 盘，取少量盐酸加入酒精，去除其表面的 金属氧化物，最后用无水乙醇再次清洗以备用。将松香作为助焊剂，将制作好 的需要的b g a 球放到处理过的c u 盘，n i 盘与剪切特制的c u 盘，滴上助焊剂 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 后，放入无铅氮气回流焊机t 2 0 0 n + 内进行焊接如图2 3 所示。为保证试样焊 接条件的一致性，所有试样的焊接过程均选用相同的焊接参数。 升温。保温，彳飞冷 ”、 焊接 ， ， ， j ， ， a ) 焊接设备b ) 焊接升温曲线 图2 3 焊接设备及升温曲线 f i g 2 - 3s o l d e r i n ge q u i p m e n ta n dh e a t i n gc u r v e s 2 5 3 金相试样的制备 将镶好的试样，用粗砂纸磨出来一个平面，使镶嵌钎料的一面露出的试样 表面较为平整。接着在金相研磨抛光机上对试样进行研磨，先用粗砂纸，再用 细砂纸磨，最后放在抛光绒布上抛光，其过程喷洒金相抛光剂，这样使得抛光 的表面光滑。抛光过程中，不断用清水冲洗，用腐蚀液( 5 h n 0 3 + 9 5 酒精) 腐 蚀试样表面1 0 s 2 0 s ，用清水冲净腐蚀液，然后再用酒精清洗表面。最后用吹 风机吹干表面，将处理好的金相试样在o l y m p u s 多功能光学金相显微镜( 图2 4 ) 下观察组织形貌。 图2 4o l y m p u s 金相显微镜 f i g 2 4o l y m p u sm e t a l l o g r a p h 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 5 4 界面i m c 形貌观察 本实验借助表面微腐蚀技术，将焊接在焊盘的微小焊点在配有氢氟酸与硝 酸的腐蚀液中腐蚀，随着腐蚀时间的增加，钎料基体会逐渐被腐蚀掉，露出焊 接界面i m c 及钎料基体内的金属间化合物。用无水乙醇进行长时间清洗后， 借助f e is i r i o n 扫描电了显微镜( s e m ) 进行观察，可以得到类似图2 5 ( b ) 中钎料 及焊接界面的三维形貌。 2 6 剪切实验 a ) 扫描电子显微镜b ) 焊接界面 图2 5 扫描电子显微镜及焊接界面 f i g 2 - 5s e ma n ds o l d e r i n gi n t e r f a c e 2 6 1 剪切测量方法 焊点的剪切实验采用图2 - 6 所示的p t r 11 0 0 型接合强度测试仪，选用 2 0 k g 测力传感器，位移速度选用0 1 0 m m s 。本实验首先把剪切试样固定在剪 切机上，通过计算机进行参数的设定，传到剪切机进行试验。对于每种钎料成 分，以0 1 0 m m s 的速率进行1 0 次实验，取其平均值计算平均剪切强度。采用 s e m 观察断口形貌，用e d x 确定断口钎料的成分。 p t r 1 1 0 0 剪切强度测试的主要工作原理：在试验时，推刀与焊有b g a 焊 球的焊盘产生的力通过传感器传送到p t r 1 1 0 0 的主机内，再通过数据线传输 到计算机内的软件中，可自动绘制成曲线，也可把数据转换成e x c e l 来进一步 处理数据。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( a ) p t r l1 0 0( b ) 剪切试验过程示意图 图2 - 6 剪切仪器及剪切实验过程图 f i g 2 6s h e a ri n s t r u m e n ta n ds h e a re x p e r i m e n t a lp r o c e s s 2 6 2 剪切测量原理 焊点的剪切强度是评价焊点可靠性最为主要的两个力学性能指标之一，在 大部分情况下，钎料主要承受剪切力，而且钎料的剪切强度往往小于抗拉强 度，所以对焊点的剪切强度测试比较科学。对焊点剪切强度本实验采用p t r l1 0 0 型接合强度测试仪进行测量。焊点的剪切强度是以焊点所承受的最大剪切 力与焊点的有效承载面积计算。实验结果取1 0 次测量的平均值，通过s e m 观 察剪切断面的微观形貌，通过e d x 确定断面表层的物质成分。焊点的剪切强 度采用下式计算： f = ，彳 ( 2 - 2 ) 式中：沩焊点剪切强度( m p a ) ；f 为焊点破坏载荷( n ) ；彳为焊点断口的 实际面积( m m 2 ) 。 2 7 本章小结 本章重点在于实验所需材料的准备工作的介绍，对工艺研究中的涉及实验 方法与设备的介绍，阐述了包括钎料的合金设计、熔点测试、润湿性测试、界 面化合物的观察及剪切性能测试等实验原理。 一黪黪鬟霪l|一羹移黪蕊貔缀l籀 哈尔滨理t 大学t 学硕十学f 征论文 第3 章l a 对s a c 0 3 0 7 钎料组织及性能的影响 3 1 引言 材料的性能与其显微组织分布有着密不可分的关系，不同的组织决定了材 料不同的性能，分析材料的微观组织有助于分析和理解材料性能的改变。钎料 的显微组织越细小，均匀的晶粒，相对应钎料的强度也越好。同时熔点和润湿 性作为评定电子封装材料的物理性能的两项重要的焊接工艺指标，对产品的可 靠性也有很大的影响。 由于目前的无铅钎料存在熔点偏高，润湿性较差等缺点，阻碍了无铅钎料 的应用与发展。钎料的组分与配比均会对合金的熔点及润湿性产生影响。太章 研究了向低银型钎料s a c 0 3 0 7 中添加不同成分的稀土l a ，研究l a 对钎料组 织熔点和润湿性的影响。系统分析稀土元素l a 含量的变化对钎料组织，熔 点及润湿性的影响规律。 、 3 2l a 对钎料显微组织的影响 3 2 1s a c 0 3 0 7 - x l a 组织分析 图3 1 为s a c 0 3 0 5 7 x l a 钎料合金的金相组织。图中可以看出添加l a 的钎 料组织与s a c 0 3 0 7 钎料组织类似：主要由白色区域的富s n 相及黑色共晶组织 构成。共晶组织为二元共晶组织与三元共晶组织组成，其中二元组织包括为 c u 6 s n 5 够s n 和h 9 3 s n + # s n ，三元共晶组织是由卢s n + a 9 3 s l r b c u 6 s n 5 组成的， c u _ 6 s n 5 主要呈粒状分布，a 9 3 s r l 呈针状或片状分布。三元组织中工形的c u 6 s n 5 和a 9 3 s n 瓦相纠结在一起，可以用e d x 区分开来。随着l a 元素的加入，加剧 了s n 枝晶的分形，导致了s n 二次枝晶的间距的降低，促进高枝晶的发展。总 体看来钎料的组织逐渐细化，l a 细化：- s n 和共晶组织区是因为稀土元素在熔 炼过程中有除气，防杂并细化晶粒的作用【z | 7 l 。其形状越来越清晰，且在晶界处 慢慢出现黑色的粒状化合物。当l a 含量为o 0 7 w t 时，片状和针状的共晶组 织细小、均匀，如图3 1 ( d ) 所示。当h 含量达到0 2 5 w t 时，晶界处偏聚着大 量的黑色梅花状的析出物，并且开始聚集长大的现象，同时钎料的组织变得粗 大。这种黑色的梅花状分布在组织中，这种化合物经s e m 和e d x 分析，s n 的含量为7 3 2 5 w t ，l a 的含量为2 6 7 5 w t ，s n 与l 丑的原子比接近3 ：1 ，所 以此利，化合物为l a s n 3 ，它的尺寸大约有8 0 1 a m 。 a ) s a c 0 3 0 7 c 、s a c 0 3 0 7 0 0 5 l a b 1s a c0 3 0 7 0 0 3 l a d ) s a c 0 3 0 7 - 0 0 7 l a e 1s a c 0 3 0 7 0 1 0 l a f ) s a c 0 3 0 7 0 2 5 l a 图3 1s a c 0 3 0 7 x l a 钎料的显微组织 f i g 3 1m i c r o s t r u c t u r eo fs a c 0 3 0 7 x l as o l d e r 1 3 一 哈尔滨理丁大学t 学硕士学位沦文 3 2 2l a 影响s a c 0 3 0 7 显微组织机理分析 本文从l a 元素添加到s a c 0 3 0 7 钎料合金中产牛的相变作用和稀土的性质 出发分析【a 影响s a c 0 3 0 7 显微组织的机理。从相图【2 8 呵查出l a 与s n 的合金 成分点在靠近s n 一侧的包晶反应区，包晶温度点为2 3 5 ：l a 与a g 靠近a g 共晶反应区，共晶反应温度为7 4 7 。c ；l a 与c u 合金成分点靠近c u 的共晶 区，其共晶温度点为7 4 5 。c 。所以从稀士分析，l a 与s n 在较低的温度下能发 生反应。 从l a s n 相图可知，l a 含量0 2 5 w t 钎料合金的包晶温度点为1 1 1 3 ， 生成的l a s h ，相在此温度下形成。此外，稀土元素l a 与s n 、a g 和c u 的作用 倾向来看，l a 与s n 优先反应生成金属间化合物，是因为h 与s n 的化学亲和 力参数要大于与a g 、c u 之间的化学亲和力参数【2 9 l 。在l a 系合金中，l a s n 3 是 r 一种典型的面心立方体结构，在很多的系统中被观察到，称作汉语脚本 3 0 - 3 3 。 d u d e k 和c h a w | a 3 4 运用三维形象技术对熔炼冷却合金的研究表明：l a s h 3 化合 物确实是一种复杂树枝状晶体结构。这种面心立方体的形成归因于一系列的因 素包括在扩散长大过程中固液界面的稳定性，界面能量传递的方向性( 例如， 某一生长界面趋势向能量最小方向发展，界面中不同的原子