Sn-Zn-Nd钎料焊点高温时效界面组织演变

研究了150 ℃时效条件下,经过360,720以及3 000 h以上时效处理后Sn-Zn-Nd钎料焊点界面组织的变化. 结果表明,焊点在长期时效过程中界面层成分的变化主要由原子的扩散机制主导,随着界面附近各原子浓度的变化,界面层的成分从焊后的单一Cu₅Zn₈层逐渐转变为成分复杂的Cu-Zn-Sn多元结构. 在时效过程中,由于界面层体积的增加会受到钎料基体的阻碍,因此在界面两侧的晶界处产生了压应力. 这些应力在时效过程中不断累积,当累积到一定程度后,使得金属间化合物层表面出现了孔洞和裂纹,从而导致了焊点性能的恶化.     

纳米Ag颗粒对Sn-58Bi无铅钎料组织及焊点可靠性的影响

研究了纳米Ag颗粒对Sn-58Bi钎料焊点微观组织、界面金属间化合物、铺展性能以及力学性能的影响。结果表明:添加Ag颗粒可以细化焊点组织,复合钎料的组织随Ag颗粒含量的增加呈先细化后粗化的趋势;Ag颗粒的添加使界面金属间化合物的厚度增大,复合钎料的界面金属间化合物的厚度随Ag颗粒含量的增加而增加;Ag颗粒的添加可以改善钎料的铺展性能,复合钎料的铺展性能随Ag颗粒含量的增加呈先增大后减小的趋势;适量Ag颗粒的添加可以改善焊点的拉伸性能,随着Ag颗粒含量的增加复合钎料焊点的拉伸性能呈先上升后下降的趋势;Ag的最佳添加量0.5%(质量分数)。     

Sn-Zn系无铅钎料的研究现状及发展趋势

介绍了Sn-Zn系无铅钎料的研究及应用现状,阐述了为改善Sn-Zn无铅系钎料存在的不足之处,添加各种合金元素或微量元素如Bi,Ag,In,Ga,Al,RE等元素后,对Sn-Zn系无铅钎料钎焊性能、力学性能的影响以及Sn-Zn系无铅钎料界面反应及界面金属间化合物(IMC)的研究现状.简要综述了国内外有关Sn-Zn系无铅钎料专用助焊剂的研究状况,对Sn-Zn系无铅钎料今后的研究、改进及应用方面的前景和发展方向进行了分析与预测.     

Sn-Cu系无铅钎料的研究进展及发展趋势

以Sn0.3Ag0.7Cu为钎料,纯Cu板为基板,采用过渡液相扩散焊工艺制备Cu/Cu₃Sn/Cu₆Sn₅/Cu₃Sn/Cu多层结构全金属间化合物焊点,通过扫描电子显微镜和能谱仪分析了焊点的组织形貌和成分,测试了焊点的抗剪强度,研究了界面金属间化合物的生长机理。结果表明,由于温度梯度的影响,冷端Cu₆Sn₅生长速度大于热端。回流时间为5 h时,焊缝形成全金属间化合物,焊缝界面较为平整且无缺陷,抗剪强度由32.16 MPa降至21.29 MPa,降低了33.8%,断裂模式由塑性断裂最终演变为脆性断裂。

     

La对Sn-Ag-Cu无铅钎料与铜钎焊接头金属间化合物的影响

研究微量稀土La在钎焊和时效过程中对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料与铜基板的钎焊界面及钎料内部金属间化合物(IMC)的形成与生长行为的影响.结果表明:钎焊后钎焊界面形成连续的扇形Cu6Sn5化合物层,其厚度随La含量的增加而减小;在150℃时效100h后,连续的Cu3Sn化合物层在Cu6Sn5化合物层和铜基板之间析出,且Cu6Sn5层里嵌有Ag3Sn颗粒;界面金属间化合物总厚度随时效时间的延长而增厚,且在相同时效条件下随La含量的增加而减小;时效过程中金属间化合物生长动力学的时间系数(n)随着La含量的增加逐渐增大;钎焊后钎料内部Ag仍以共晶形式存在,时效后Ag3Sn颗粒沿钎料内部的共晶组织网络析出.     

回流时间对纯铜基板Sn0.3Ag0.7Cu钎料钎焊焊点组织和力学性能影响

以Sn0.3Ag0.7Cu为钎料,纯Cu板为基板,采用过渡液相扩散焊工艺制备Cu/Cu₃Sn/Cu₆Sn₅/Cu₃Sn/Cu多层结构全金属间化合物焊点,通过扫描电子显微镜和能谱仪分析了焊点的组织形貌和成分,测试了焊点的抗剪强度,研究了界面金属间化合物的生长机理。结果表明,由于温度梯度的影响,冷端Cu₆Sn₅生长速度大于热端。回流时间为5 h时,焊缝形成全金属间化合物,焊缝界面较为平整且无缺陷,抗剪强度由32.16 MPa降至21.29 MPa,降低了33.8%,断裂模式由塑性断裂最终演变为脆性断裂。     

热时效对SnAgCu微焊点界面IMC和抗拉强度的影响

采用扫描电镜、能谱仪和微拉伸实验,研究了Cu/Sn-3Ag-0.5Cu/Cu引线对接焊点在373K不同热时效时间下焊点界面金属间化合物(IMC)的生长和抗拉强度的变化,同时对互连焊点的断口形貌及断裂模式进行了分析.结果表明:随着时效时间的延长,1)界面IMC不断增厚,其生长动力学符合抛物线生长规律;2)互连焊点的抗拉强度不断下降,其断裂模式由纯剪切断裂逐渐向微孔聚集型断裂转变.     

时效对SnAgCu/SnAgCu-TiO2焊点界面与性能影响

研究了SnAgCu与SnAgCu-TiO2两种无铅钎料与铜基板之间的界面反应,研究其在140℃时效过程中的生长行为及力学性能变化.结果表明,焊后两种钎料对应界面层为Cu6Sn5相,经过140℃时效,界面层厚度随着时效时间的增加而增加.发现金属间化合物层厚度和时效时间的平方根成正比例关系.当时效时间为300 h时,界面层出现Cu3Sn相,发现纳米TiO2颗粒对界面金属间化合物层厚度有明显的抑制作用.同时对焊点力学性能分析,在时效过程中焊点平均拉伸力明显下降,SnAgCu-TiO2焊点的力学性能明显优于SnAgCu焊点.     

等温时效对颗粒增强复合钎料组织性能的影响

等温时效过程中,复合钎料内部颗粒周围金属间化合物层的变化会影响其钎焊接头的力学性能。本研究选用比较有前途的Sn-3.5Ag共晶钎料作为基体,微米级Cu或Ni颗粒作为增强相外加到基体中制成复合钎料。对复合钎料钎焊接头在不同温度(125,150,175℃)下进行时效,研究了等温时效过程中增强颗粒周围金属间化合物的层厚增长系数和生长激活能,以及层厚增长对复合钎料钎焊接头力学性能的影响。结果表明,等温时效下,复合钎料内部Cu颗粒周围金属间化合物层增长速率明显大于Ni颗粒周围金属间化合物层的增长速率,且其层生长激活能低于Ni颗粒周围金属间化合物层。时效过程中,Cu颗粒增强复合钎料钎焊接头的剪切强度下降更快。此外,本研究还利用有限元模拟分析了时效过程中增强颗粒周围的应力分布情况。研究表明,经过时效后,随着颗粒周围金属间化合物的增长,颗粒周围的金属间化合物在受力的情况下会造成一定的应力集中而更易发生开裂。     

Bi、Ag对Sn-Zn无铅钎料性能与组织的影响

研究了Bi、Ag对Sn-9Zn无铅钎料系统润湿性、接头力学性能及微观组织的影响。结果表明:Sn-9Zn无铅钎料的润湿性较差,添加适量的Bi有助于提高钎料的润湿性和接头剪切强度,但同时也使接头的塑性降低;添加适量的Ag能明显改善钎料的润湿性和接头塑性,但Ag的质量分数超过1.5%时会降低钎料润湿性和接头剪切强度。Sn-9Zn-Bi系无铅钎料组织由富Sn相、富Zn相及Bi的析出物组成;Sn-9Zn-Ag系无铅钎料组织由富Sn相、富Zn相及AgZn3化合物组成。     

时效处理对Sn-Zn-Ga-Nd钎焊接头界面及力学性能的影响

研究了150℃时效条件下,不同时效时间对Sn-Zn-Ga-Nd钎焊接头界面组织及力学性能的影响.结果表明,Ga元素的添加有效抑制了钎焊接头界面附近稀土相的形成,即使经过长时间的时效处理后,界面附近仍然没有稀土相出现.在时效过程中,钎焊接头的剪切力随时效时间增加而降低,但下降幅度小于Sn-Zn-Nd及Sn-Zn钎焊接头.经过720 h的时效处理后,Sn-Zn-Ga-0.08 Nd接头的剪切力仍高于未经时效的Sn-Zn钎焊接头.     

时效处理对Sn-Zn-Ga-Nd钎焊接头界面及力学性能的影响

研究了150℃时效条件下,不同时效时间对Sn-Zn-Ga-Nd钎焊接头界面组织及力学性能的影响.结果表明,Ga元素的添加有效抑制了钎焊接头界面附近稀土相的形成,即使经过长时间的时效处理后,界面附近仍然没有稀土相出现.在时效过程中,钎焊接头的剪切力随时效时间增加而降低,但下降幅度小于Sn-Zn-Nd及Sn-Zn钎焊接头.经过720 h的时效处理后,Sn-Zn-Ga-0.08 Nd接头的剪切力仍高于未经时效的Sn-Zn钎焊接头.     

Sn-Cu-Ni(-Ce)焊点热循环可靠性

研究了Sn-Cu-Ni(-Ce)焊点在长时间热循环条件下的力学性能,以及热循环对焊点界面处金属间化合物的形成与长大行为的影响.试验发现,焊点界面处金属间化合物在长时间热循环条件下有明显长大的趋势,并在2000周期后出现了Cu3Sn相,导致焊点力学性能下降,而微量Ce元素能有效抑制界面处以及钎料内部金属间化合物的粗化,从而缓解热循环对焊点力学性能的不利影响.结果表明,随着热循环周期的增加,引脚焊点的拉伸力逐渐降低,添加0.05%Ce元素可有效提高焊点的可靠性.     

时效对Sn-Cu-Ni-xPr/Cu焊点组织与性能的影响

采用Sn-Cu-Ni-xPr无铅钎料对片式电阻进行钎焊试验,并且利用加速老化试验模拟片式电阻中焊点的服役环境,研究了时效过程中Sn-Cu-Ni-xPr焊点界面化合物层的厚度以及焊点抗剪强度的变化.结果表明,随着时效的进行,片式电阻Sn-Cu-Ni-xPr焊点的厚度不断增加,抗剪强度不断下降.与此同时,添加微量稀土元素Pr可有效提高Sn-Cu-Ni-xPr焊点的力学性能,当Pr元素含量为0.05%时,焊点力学性能优良,且在长时间的时效条件下仍然优于其它焊点.     

Effect of electromigration and isothermal aging on interfacial microstructure and tensile fracture behavior of SAC305/Cu solder joint

The Cu/Sn-3.OAg-0.5Cu/Cu butting solder joints were fabricated to investigate the evolution of the interfacial intermetallic compound(IMC) and the degradation of the tensile strength of solder joints under the effect of electromigration(EM) and aging processes.Scanning electron microscopy(SEM) results indicated that the Cu_6Sn_5 interfacial IMC presented obvious asymmetrical growth with the increase of EM time under current density of 1.78×10~4 A/cm~2 at 100℃,and the growth of anodic IMC presented a parabolic relationship with time while the cathodic IMC got thinner gradually.However,as for aging samples at 100℃ without current stressing,the Cu_6Sn_5 IMC presented a symmetrical growth with a slower rate than the anodic IMC of EM samples.The tensile results indicated that the tensile strength of the solder joints under current stress declined more drastic with time than the aging samples,and the fracture mode transformed from ductile fracture to brittle fracture quickly while the fracture mode of aging samples transformed from cup-cone shaped fracture to microporous gathering fracture in a slow way.     

BGA焊点界面化合物纳米压痕力学行为

利用纳米压痕法对BGA焊点(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面化合物(IMC)进行了压痕试验.基于Oliver-Pharr法确定了(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn的弹性模量和压痕硬度,研究了加载速率对IMC纳米压痕力学行为的影响及其变化规律.结果表明,锯齿流变效应与加载速率的大小是相关的.在加载速率较小的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn都具有锯齿流变效应,但程度不同;在加载速率较大的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₃Sn锯齿流变效应不明显,而Cu₆Sn₅的锯齿流变效应相对明显.(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面IMC的弹性模量分别为126,118,135 GPa;压痕硬度分别为6.5,6.3,5.8 GPa;含镍的(Cu,Ni)₆Sn₅化合物弹性模量和压痕硬度均比Cu₆Sn₅的值要高.     

Sn-6.5Zn/Cu焊点时效过程中的界面特征与结构演变

研究150°C等温时效对Sn-6.5Zn/Cu焊点微观结构特征与显微硬度的影响,分析界面金属间化合物的形成与演变机制。结果表明：Sn-6.5Zn/Cu焊点界面化合物层由CuZn和Cu5Zn8组成;随着等温时效时间的延长,化合物层的厚度表现为先增大、后减小的趋势;长时间的高温时效会导致Cu-Zn金属间化合物的分解,并破坏界面连续致密的化合物层。在局部破坏的界面区Cu基体处形成不连续的Cu6Sn5化合物层;时效后界面粗化并形成明显的孔洞。时效导致界面显微硬度不同程度的增大。     

热时效过程中微米级SnAgCu焊点的界面金属间化合物形成及演变

研究微米级倒装组装焊点在150℃热时效过程中界面金属间化合物(intermetalic compound,IMC)的形成及演化.结果表明,在热时效300 h后,受铜焊盘界面扩散过来的Cu原子影响,镍焊盘界面(Ni,Cu)₃Sn₄全部转化成(Cu,Ni)₆Sn₅;在铜焊盘界面,热时效至100 h后,形成一层薄的Cu₃Sn,在随后的热时效过程中,由于Ni原子对Cu₃Sn生长的抑制作用,Cu₃Sn几乎没有生长.此外在时效100 h内,两侧界面(Cu,Ni)₆Sn₅生长速率增加较快,但随着时效时间的增加逐渐减慢.两侧界面(Cu,Ni)₆Sn₅顶端形貌随着时效时间的增加逐渐变平.     

QFP器件微焊点热疲劳行为分析

通过数值模拟可知,蠕变应变和塑性应变在时间历程处理过程中,以阶梯状累积增加.基于 Shine and Fox 模型和 Solomon 模型,运用等效应变进行 SnPb 和 SnAgCu 焊点的疲劳寿命评估,分别为 937 次和 1391 次.结果表明,焊点的拉伸力均随着热循环次数的增加而减小;SnAgCu 焊点的热循环可靠性优于 SnPb 焊点,焊点在热循环后的断裂形式已由韧性断裂转变为脆性断裂.随着热循环次数的增加,焊点界面处的金属间化合物层不断的生长,脆性的金属间化合物使得焊点的可靠性严重削弱,导致焊点的拉伸力下降.

Abstract：

The crrep strain and plastic strain of soldered joints in time history are studied and analyzed with numerical simulation method, which are found to be accumulated as ladder form.Based on Solomon and Shine and Fox models, the fatigue life values of the Sn-Pb and SnAgCu soldered joints are evaluated by equivalent strain, which are about 937 and 1 391 respectively. The experimental results showed both in experiment and simulation results indicate that the tensile force of soldered joints will be decreased with the increase of thermal cychng times, the reliability of SnAgCu after thermal cycling is better than that of Sn-Pb, the fracture mode of the soldered joints transforms from toughness fracture into brittle fracture,and the brittle intermetallic compounds at the interface of soldered joints will grow up gradually with the increase of thermal cycling times during thermal cycling process, which give a strong impact to the reliability of soldered joints and reduce the tensile force of soldered joints at the same time.     

无铅焊点金属间化合物的纳米压痕力学性能

研究Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面处的IMC在150℃下等温时效的生长情况,时效时间分别为100,300,500,1000 h.拟合出IMC的厚度与时效时间的关系,采用纳米压痕仪进行纳米压痕试验,发现Cu6 Sn5与Cu3 Sn的变形机制不同.Cu6Sn5为非连续性塑性变形,表现为压痕过程中的锯齿流变;Cu3 Sn的压痕曲线比较平滑.随Cu6Sn5厚度的增加,Cu6 Sn5的弹性模量和硬度没有太大变化.对时效100,500 h后的Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面处的过渡区进行纳米压痕试验,发现Cu,Cu3Sn,Cu6 Sn5和Sn3.0Ag0.5Cu的硬度大小顺序为Cu6 Sn5＞ Cu3 Sn＞ Cu＞ Sn3.0Ag0.5Cu.