时效处理对Sn0.7Cu-0.5Al_2O_3/Cu焊点界面形态的影响

研究了纳米Al_2O_3颗粒对Sn0.7Cu钎料润湿性的影响,并分析比较了时效0 h和时效250 h后Sn0.7Cu-0.5Al_2O_3/Cu焊点界面IMC的形貌和厚度变化。结果表明:添加微量的纳米Al_2O_3颗粒可以改善Sn0.7Cu钎料的润湿性,但添加过量将降低润湿铺展面积,纳米Al_2O_3颗粒的最佳添加量为0.5%,比Sn0.7Cu钎料的铺展面积提高了30.2%。焊后未时效的焊点钎料晶粒细小,界面处Cu_6Sn_5IMC层较薄,经过150℃时效,钎料晶粒粗化,IMC界面层的厚度明显增加,形貌由扇贝状变为明显的块状,界面的不平度逐步减小。界面层由单一的Cu_6Sn_5IMC层转变为Cu_6Sn_5IMC和Cn_3SnIMC两层,厚度增大了96.5%。     

热循环对Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点界面与性能影响

为了改善Sn58Bi低温钎料的性能,通过在Sn58Bi低温钎料中添加质量分数为0.1%的纳米Ti颗粒制备了Sn58Bi-0.1Ti纳米增强复合钎料。研究了纳米Ti颗粒的添加对-55～125℃热循环过程中Sn58Bi/Cu焊点的界面金属间化合物(IMC)生长行为的影响。结果表明:回流焊后,在Sn58Bi/Cu焊点和Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点的界面处都形成一层扇贝状的Cu6Sn5IMC层。在热循环300次后,在Cu_6Sn_5/Cu界面处形成了一层Cu_3Sn IMC。Sn58Bi/Cu焊点和Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度均和热循环时间的平方根呈线性关系。但是,Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度明显低于Sn58Bi/Cu焊点,这表明纳米Ti颗粒的添加能有效抑制热循环过程中界面IMC的过度生长。另外计算了这2种焊点的IMC层扩散系数,结果发现Sn58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层扩散系数(整体IMC、Cu_6Sn_5和Cu_3Sn IMC)明显比Sn58Bi/Cu焊点小,这在一定程度上解释了Ti纳米颗粒对界面IMC层生长的抑制作用。     

时效温度对Sn-58Bi-xMo复合钎料焊点组织和性能的影响

研究了时效温度对Sn-58Bi-xMo(x=0,0.25)钎料基体显微组织、焊点界面IMC形貌及力学性能的影响规律。研究结果表明:随着时效温度的升高,钎料基体的显微组织逐渐粗大,焊点界面IMC的厚度也逐渐增大,IMC形貌由扇贝状转变为表面较为平缓的层状;相同时效条件下,Cu/Sn-58Bi-0.25Mo/Cu焊点的显微组织及IMC厚度较小;焊点的抗拉强度及剪切强度均随时效温度的提高呈下降趋势,且Mo颗粒的添加大大减缓了焊点时效过程中剪切强度的下降趋势。在同一时效温度下, Sn-58Bi-0.25Mo复合钎料焊点的抗拉强度及剪切强度均高于Sn-58Bi钎料焊点的。     

电迁移对Cu/Sn-58Bi-0.01CNTs/Cu焊点组织及可靠性的影响

选用直流稳压电源对Cu/Sn-58Bi-x CNTs/Cu(x=0,0.01)焊点的抗电迁移性能进行了测量,研究了不同通电时间下焊点的组织、界面IMC形貌及蠕变性能。结果表明:随着通电时间的增加,钎料焊点的显微组织均呈粗化的趋势,焊点界面IMC形貌均由扇贝状趋于平坦,厚度呈上升的趋势,钎料焊点的蠕变断裂寿命均降低。与同一通电时间的焊点阳极对比,焊点阴极附近的组织更为细小,界面IMC更薄;相较于同一通电时间的Sn-58Bi钎料焊点,Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料的焊点显微组织更为细小,界面IMC更薄,焊点的蠕变性能更优。     

热循环对Sn58Bi(纳米Ti)/Cu焊点界面与性能影响

为了改善Sn-58Bi低温钎料的性能,通过在Sn-58Bi低温钎料中添加质量分数为0.1%的纳米Ti颗粒制备了Sn-58Bi-0.1Ti纳米增强复合钎料。在本文中,研究了纳米Ti颗粒的添加对-55～125 _^oC热循环过程中Sn-58Bi/Cu焊点的界面金属间化合物(IMC)生长行为的影响。研究结果表明：回流焊后,在Sn-58Bi/Cu焊点和Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的界面处都形成一层扇贝状的Cu₆Sn₅ IMC层。在热循环300次后,在Cu₆Sn₅/Cu界面处形成了一层Cu₃Sn IMC。Sn-58Bi/Cu焊点和Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度均和热循环时间的平方根呈线性关系。但是,Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度明显低于Sn-58B/Cu焊点,这表明纳米Ti颗粒的添加能有效抑制热循环过程中界面IMC的过度生长。另外计算了这两种焊点的IMC层扩散系数,结果发现Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层扩散系数(整体IMC、Cu₆Sn₅和Cu₃Sn IMC)明显比Sn-58Bi/Cu焊点小,这在一定程度上解释了Ti纳米颗粒对界面IMC层的抑制作用。     

BGA结构Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点低温回流时界面反应和IMC生长行为

采用差示扫描量热法将焊点的熔化行为表征与焊点回流焊工艺相结合,研究了球栅阵列（BGA）结构单界面Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在钎料熔化温度附近等温时效形成局部熔化焊点时的界面反应及界面金属间化合物（IMC）的生长行为.结果表明,在钎料熔点217℃时效时,焊点中钎料基体仅发生界面局部熔化;而在稍高于熔点的218℃时效时,焊点钎料基体中全部共晶相和部分-Sn相发生熔化,且Cu基底层的消耗量显著增大,绝大部分Cu基底直接溶蚀进入钎料基体并导致界面IMC净生长厚度相对217℃时效时减小;等温时效温度升高至230℃时,焊点中钎料基体全部熔化,界面IMC厚度达到最大值.界面IMC的生长动力学研究结果表明,界面Cu₆Sn₅和Cu₃Sn层的生长分别受晶界扩散和体积扩散控制,但界面IMC层的晶界凹槽、晶粒粗化和溶蚀等因素对其生长行为也有明显影响.     

Cu/Sn-58Bi/Cu焊点电迁移行为研究

采用双辊快速凝固技术制备了Sn-58Bi钎料薄带,并制备Cu/Sn-58Bi/Cu线性焊点。使用电子探针(EPMA)及能谱分析(EDS)研究焊点在电流密度为1×10^4 A/cm^2(25℃)下界面金属间化合物(IMC)、元素扩散与钎料基体组织演变规律。结果表明,随着通电时间延长阳极界面处的IMC层的形状从扇贝状转变为锯齿状,阴极界面处的IMC层由扇贝形变为不规则,其厚度逐渐增加。阳极由于Bi的偏聚形成了富Bi层,Sn在阴极偏聚,基体共晶组织(Bi+β-Sn)粗化。基于线性拟合可知,阳极和阴极的界面IMC层的生长系数n分别为0.263和0.442,其生长机制可归结为体积扩散。     

镀镍多壁碳纳米管对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料焊点界面行为的影响

采用机械混合法制备了不同含量(0、0.05、0.1、0.2、0.5wt%)镀镍多壁碳纳米管(Ni-CNTs)复合Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)无铅钎料。采用F4N回流炉对SAC305-x(Ni-CNTs)钎料进行回流焊,利用电热鼓风干燥箱对焊点试样进行170 ℃时效(t=0、48 h)处理。结合DTA、SEM、EDS等分析手段研究了不同镀镍碳纳米管含量对Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料润湿性、熔点和焊点界面金属间化合物(IMC)层的影响。结果表明:Ni-CNTs可以显著改善钎料的润湿性,降低钎料熔点;此外,Ni-CNTs可以有效抑制界面IMC层的生长,同时改变界面IMC组成。综合比较得出Ni-CNTs最佳添加量为0.05%,与Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料相比,润湿角降低49.76%,熔点降低0.331 ℃;时效后界面IMC层厚度4.292 μm(t=0 h)、5.238 μm(t=48 h)相对于SAC305钎料界面IMC厚度6.529 μm(t=0 h)、8.255 μm(t=48 h)分别降低了34.26%(t=0 h)、36.55%(t=48 h),界面IMC层相组成转变为(Cu_1-xNi_x)₆Sn₅和(Cu_1-xNi_x)₃Sn。     

时效对Sn-0.7Cu-0.05Ni-xSm/Cu焊点界面与抗剪强度的影响

以Sn-0.7Cu-0.05Ni-xSm/Cu焊点为对象(元素Sm含量分别为0,0.025,0.05,0.1和0.2(质量分数,%)),研究焊后与经过160 ℃,24,96和360 h时效后,焊点界面金属间化合物(IMC)与抗剪强度的变化. 结果表明,在钎料中未添加稀土元素Sm时,IMC层凹凸不平;加入微量元素Sm,IMC层变的平坦顺滑. 时效会使IMC不断长大,其界面形貌由原始的扇贝状向平直均匀的层状转变. 元素Sm含量在0.025%～0.1%范围内时,不论时效前还是时效后,IMC层较薄. 元素Sm对界面IMC的生长有抑制作用,有益于提高焊点的可靠性. 加入微量稀土元素Sm以后,焊点抗剪强度发生了变化. 不论时效前还是时效后,当元素Sm含量为0.025%时,焊点抗剪强度都是最高.     

界面耦合作用对Cu(Ni)/Sn-Ag-Cu/Cu(Ni)BGA焊点界面IMC形成与演化的影响

研究了焊盘材料界面耦合作用对Cu(Ni)/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu(Ni)BGA(Ball Grid Array)结构焊点焊后态和125℃等温时效过程中界面金属间化合物(IMC)的成分、形貌和生长动力学的影响.结果表明.凸点下金属层(UBM)Ni界面IMC的成分与钎料中Cu含量有关,钎料中Cu含量较高时界面IMC为(Cu.Ni)6Sn5.而Cu含量较低时,则生成(Cu,Ni)_3Sn_4;Cu-Ni耦合易导致Cu/Sn-3.0Ag 0.5Cu/Ni焊点中钎料/Ni界面IMC异常生长并产生剥离而进入钎料.125℃等温时效过程中.Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu界面IMC的生长速率常数随钎料中Cu含量增加而提高.Cu Cu耦合降低一次回流侧IMC生长速率常数;Cu Ni耦合和Ni-Ni耦合均导致焊点一次回流Ni侧界面IMC的生长速率常数增大,但Ni对界面IMC生长动力学的影响大于Cu;Ni有利于抑制Cu界面Cu_3Sn生长.降低界面IMC生长速率,但Cu-Ni耦合对Cu界面Cu_3Sn中Kirkendall空洞率无明显影响     

Ni和Bi元素对SnAgCu钎焊界面金属化合物生长速率的影响

通过加速温度时效方法研究Ni和Bi元素对低银(含银量小于1%,质量分数)Sn-Ag-Cu(LASAC)钎料界面IMC生长速率的影响。通过与高银钎料SAC305和低银钎料LASAC对比,分析添加Ni和Bi元素后LASAC钎料在高温时效过程中热疲劳抗性的变化情况。结果表明:LASAC/Cu、LASAC-Bi/Cu和SAC305/Cu界面IMC时效后均形成较厚的Cu3Sn层,LASAC-Ni/Cu界面经IMC时效后则形成较薄的(Cu,Ni)3Sn;高银钎料SAC305在180℃时效下IMC生长速率为2.17×10-5μm2/s,与之相比,低Ag钎料LASAC IMC在时效过程中生长速率较高,为3.8×10-5μm2/s;Ni和Bi元素的添加均可降低钎料LASAC/Cu界面IMC的生长速率,其中Bi的改善效果最显著,LASAC-Bi钎料的IMC生长速率为1.92×10-5μm2/s,低于SAC305钎料的IMC生长速率。     

Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu界面金属间化合物生长行为

基于自制多场耦合装置,研究了Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu钎焊接头在多场耦合时效过程中界面金属间化合物(IMC)的显微组织变化和生长行为。结果表明,在相同的时效时间内,时效温度越高,界面IMC生长越快。当钎焊接头在85、125和150℃多场耦合时效时,IMC的形貌由扇贝状转变为较平整的层状。在多场耦合时效过程中,在Cu6Sn5层中发现了白色的Ag3Sn颗粒,而且普遍出现在Cu6Sn5凹陷处。界面IMC的生长厚度与时效时间的平方根成线性关系,其生长受扩散机制影响。多场耦合时效降低了界面IMC的激活能,整个IMC层的激活能为49 kJ/mol。     

Sn-6.5Zn钎料/Cu基板焊点界面特征与金属间化合物的形成机理

对255℃时Sn-6.5Zn钎料/Cu基板界面反应及金属间化合物的形成与转化进行热力学计算与分析,并利用SEM、EDS、XRD研究分析255℃不同钎焊时间条件下钎料/Cu基板界面组织与IMC层形态特征。结果表明:Sn-6.5Zn钎料/Cu焊点界面紧靠Cu基板侧形成CuZn层;CuZn IMC有与钎料中的Zn原子继续反应生成Cu5Zn8 IMC的趋势;在相同钎焊温度条件下,不同钎焊时间对界面厚度影响不大;随钎焊时间延长,Sn-6.5Zn钎料/Cu基板焊点界面IMC层的平均厚度增大,界面粗糙度则由于不同钎焊时间IMC在液态钎料中生长与溶解的差异,呈现先增大而后降低到一个均衡值的变化趋势。     

界面金属间化合物对铜基Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点拉伸断裂性能的影响

研究了Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点在(150±1)℃时效温度下,0～1 000 h不同时间时效后焊点的拉伸断裂性能以及界面金属间化合物(IMC)的组织形态和成分.结果表明随着时效时间的延长,焊点拉伸强度降低,拉伸断裂主要发生于Solder/IMC界面或/和IMC/IMC界面,而且断口形貌逐渐由韧窝状断口为主向解理型脆性断口转变.SEM研究发现,时效过程中界面IMC不断长大、增厚并呈针状或块状从Cu/Solder界面向焊点心部生长,时效1 000 h的焊点中IMC分层明显.半焊点结构为Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Solder,同时,在靠近铜基体的IMC中有Kirkendall空洞存在.     

Cu/Sn-58Bi-0.5Ce/Cu钎焊接头的热时效行为

对比研究了不同时效温度下Sn-58Bi和Sn-58Bi-0.5Ce钎焊接头的组织、界面IMC形态、厚度及接头拉伸性能和断口形貌。结果表明:Ce颗粒的添加细化了Sn-58Bi钎料的组织,抑制了Sn-58Bi钎料接头时效过程中组织的粗化、IMC形貌变化及厚度的增大。随时效温度的升高,Cu/Sn-58Bi-0.5Ce/Cu钎焊接头IMC形貌从扇贝状逐渐趋于平整,厚度逐渐增大,抗拉强度逐渐降低,拉伸断口由韧性断裂转变为脆性断裂。     

β-Sn晶粒取向及温度对Cu/SAC305/Cu微焊点时效界面反应的影响

为了探究不同等温时效温度下β-Sn晶粒取向及晶界特征对界面反应的影响,采用准原位观测手段对不同Sn取向的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu(Cu/SAC305/Cu)微焊点进行研究. 结果表明,在不同温度下时效时,微焊点两侧界面IMC(Cu₆Sn₅ + Cu₃Sn两相)自始至终呈现对称性生长,表明时效过程中β-Sn晶粒取向及晶界的存在不会影响界面反应. 但是随着时效温度的升高,界面IMC的形貌和厚度发生明显变化. 在100 ℃时效后,界面处生成扇贝状的Cu₆Sn₅和较薄的不连续的Cu₃Sn层;在125 ℃时效后,界面处生成扇贝状的Cu₆Sn₅和较薄的连续的Cu₃Sn层;而在150 ℃时效后,界面IMC由层状Cu₆Sn₅和层状Cu₃Sn双层结构组成. 时效温度的升高促使Cu和Sn原子扩散加快,促进了扇贝状Cu₆Sn₅向层状转变并造成Cu₃Sn的快速生长. 同时,基于界面IMC厚度随时效时间的演变规律,获得了不同时效温度下微焊点界面IMC生长曲线,可为Sn基微焊点的可靠性评价提供依据.     

镍包覆碳纳米管增强Sn-58Bi复合钎料焊点的组织和力学性能研究

研究了镍包覆碳纳米管(Ni-CNTs)对Sn-58Bi钎料焊点微观组织和可靠性的影响。结果表明:Ni-CNTs的添加提高了Sn-58Bi钎料润湿性能,复合钎料焊点界面IMC(intermetallic compound)呈现扇贝状,细化了Sn-58Bi钎料的微观组织,提高了复合钎料接头的拉伸和剪切性能。随着Ni-CNTs含量的增加,铺展面积呈现先上升后下降的趋势,IMC厚度呈现下降的趋势;复合钎料接头的抗拉强度和抗剪强度均呈现先上升后下降的趋势。当Ni-CNTs含量为0.03wt%时,复合钎料铺展面积最大,为58.3 mm2;复合钎料接头的抗拉强度和抗剪强度最大,分别为99.2、14.1 MPa。     

回流温度对Cu/Sn58Bi-0.06Sm/Cu微焊点组织和性能的影响

采用回流焊工艺制备Cu/Sn58Bi-0.06Sm/Cu微焊点,研究不同的回流温度(200、220、240℃)对焊点的微观组织、力学性能和时效性能的影响。试验结果表明:随着回流温度的升高,钎料中富Bi相逐渐粗化且含量增多,焊点界面金属间化合物IMC层厚度逐步增大,钎料合金的显微硬度下降,界面IMC的硬度却提高,抗拉强度也降低。高温时效加速了钎缝界面两端Cu和Sn的相互扩散,加速了IMC层厚度的增长,且回流温度越高,时效后抗拉强度下降越明显。     

微量Ni对Sn2.5Ag0.7Cu钎料组织和性能的影响

研究微量Ni元素对Sn2.5Ag0.7Cu钎料显微组织和力学性能的影响。结果表明,Sn2.5Ag0.7Cu合金主要由β-Sn相、Ag3Sn相和Cu6Sn5相组成;添加微量的Ni元素后,可以有效地细化合金的内部组织,且共晶组织内部产生以Cu6Sn5相为基的(Cu,Ni)6Sn5相,或Ag3Sn相为基的(Ag,Ni)3Sn相。焊点界面主要为Cu基体、IMC层和钎料3个区域;随着钎焊时间的延长或钎焊温度的增加,IMC层在Cu基体侧较为光滑平坦,而钎料侧呈现扇贝状分布;钎焊接头的剪切强度都是呈先增大后减小趋势,在钎焊时间240 s和钎焊温度300℃达到最大值48 MPa。     

Sn-Zn钎料/Cu基板焊点界面元素扩散与IMC形成热力学分析

对270℃条件下Sn-Zn钎料/Cu基板焊点界面反应进行了热力学计算与分析,并利用SEM、EDS、XRD及显微硬度计对焊点界面进行了检测与分析。结果表明:界面Cu基板侧金属间化合物(IMC)CuZn层的形成是自发的,钎料侧形成的CuZn持续与扩散过来的Zn原子反应生成Cu5Zn8;Cu原子越过界面IMC层向钎料中的扩散与聚集呈现"脉动"形式,在临近结合面的钎料中形成粒状Cu5Zn8 IMC,并造成靠近界面区钎料中的Zn元素含量呈现间隔的"减少-聚集"现象;界面IMC层未造成焊点界面硬度突变。