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.     

等温时效对SnCuTi/Cu无铅焊点界面反应及力学性能的影响

研究了在125℃时效过程中,Sn-0.7Cu-0.008Ti/Cu焊点界面IMC的生长及抗剪强度的变化。结果表明,Sn-0.7Cu-0.008Ti/Cu焊点界面IMC厚度在时效过程中不断增加,并且与时效时间呈抛物线函数关系;界面IMC形貌由扇贝状转变为波浪状,相组成由单一的Cu6Sn5相转变为Cu6Sn5+Cu3Sn的分层组织。相同时效条件下,钎焊间隙对界面IMC的生长影响不大。焊点的抗剪强度随时效时间的增加而逐渐降低,但微量Ti的加入可明显改善焊点的力学性能。     

超低温下不同Pb含量焊点组织演变规律研究

通过自制四种不同Pb含量(0,4.67%,22.46%,37%)混装钎料制成Ni/钎料/Cu三明治焊点,置于-196℃超低温环境进行0、10、20和30天时效处理,研究Pb含量及超低温时效对焊点内部组织、IMC层演变规律以及力学性能的影响。结果表明,Pb含量的增加会促使焊点内部Pb相不断聚集,并随着时效时间的增加进一步粗化。超低温时效不会改变IMC层成分,但会促进IMC层缓慢向层状转变,并逐渐产生微裂纹与空洞,促使聚集的Pb相不断朝界面处转移形成隔离区,甚至部分镶嵌于IMC层内。随着时效时间的延长,焊点断裂方式由韧性断裂逐渐转变为韧脆性混合断裂,而适量的Pb含量对于焊点剪切强度具有提高作用,但当含量超过22.46%时再增加Pb含量则会降低焊点抗剪切强度。     

时效Sn-0.3Ag-0.7Cu/OSP、ENIG焊点剪切强度的比较

研究了Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料与有机防氧化涂层(OSP)及化学镀镍金镀层(ENIG)焊盘回流焊后焊点界面IMC和剪切强度在不同时效条件下的变化.结果表明,(1)随着时效时间的增加,两种焊盘的界面IMC厚度都增加,并且符合抛物线生长规律,但是OSP焊盘界面IMC生长速率要快于ENIG焊盘界面IMC的生长速率,其界面IMC的形貌逐渐平整;(2)OSP和ENIG焊盘焊点的剪切强度均随时效时间的延长而下降.在低温时效时,ENIG焊盘焊点的剪切强度高于OSP焊盘焊点的剪切强度;然而,在高温时效时,ENIG焊盘焊点的剪切强度却低于OSP焊盘焊点的剪切强度.     

Ni含量对In-48Sn钎料焊点显微组织和剪切性能的影响

研究了Ni含量对In-48Sn钎料焊点的显微组织与剪切性能的影响。结果表明,Ni颗粒可抑制界面IMC的生长,细化焊缝组织,随着Ni含量的增加,界面IMC的厚度由4.01μm逐渐减小到2.83μm,In48Sn-45Ni复合钎料焊点组织最为细小;Ni颗粒可提高In-48Sn钎料焊点的抗剪强度,复合钎料焊点的抗剪强度随Ni含量的增加呈先上升后下降的趋势。当Ni的质量分数为45%时,由于Ni颗粒对位错的阻碍、对组织的细化并且界面IMC达到合适厚度,抗剪强度达到峰值9.76 MPa。     

Bi对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的影响

无铅钎料和基板间金属间化合物(1MC)的生长对元器件的可靠性有重要影响.使用Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi无铅钎料与Ni盘进行焊接,并对焊点进行了180℃时效试验,时效时间分别为O、24、96、216和384h.采用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪观察分析了钎料与Ni界面IMC的生长及形貌变化,并对其焊点IMC层Ni的分布进行了分析,同时对其界面生长速率进行了拟合.结果表明:Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料与Ni焊盘之间的IMC是棒状的(CuxNi1-x)6Sn5,Bi的加入并没有起到很好的抑制作用,而是随着Bi含量的增加IMC先增加后减少.Sn-O.3Ag-0.7Cu/Ni焊点IMC中Ni的平均含量(wN)分为15%、5%两区域.由近Ni向钎料基体方向呈下降趋势.但是Sn-O.3Ag-0.7Cu-3.0Bi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量在7%左右.时效后IMC层的厚度会随着老化时间的延长而增加,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点由于Bi的析出IMC增长得缓慢;Sn-0.3Ag-0.7Cu/Ni焊点(CuxNi1-x)6Sn5中15%Ni的含量区域逐渐过渡到5%区域,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量维持9%较时效前有所增加.通过生长速率计算,Sn-O.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的生长速率随着Bi含量的增加而减少.     

Ni元素对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu无铅微焊点界面IMC和力学性能的影响

以Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE无铅钎料为研究对象,借助扫描电镜和X衍射等检测方法研究了Ni元素对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu无铅微焊点界面IMC和力学性能的影响.结果表明,添加适量Ni元素能显著细化Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金初生β-Sn相和共晶组织,抑制焊点界面区(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物的生长和表面粗糙度的增加,提高无铅焊点抗剪强度.当Ni元素添加量为0.1%时,钎料合金组织细小均匀,共晶组织所占比例较多;焊点界面IMC薄而平整,(Cu,Ni)6Sn5颗粒尺寸小,对应焊点抗剪强度最高为45.6 MPa,较未添加Ni元素焊点提高15.2%.     

Zn元素对Sn0.5Ag0.7Cu/Cu接头剪切性能和时效接头组织结构的影响

为了改善Sn0.5Ag0.7Cu/Cu接头组织结构和力学性能,通过在Sn0.5Ag0.7Cu钎料中添加Zn元素,以Sn0.5Ag0.7Cu-xZn (x=0, 0.1, 0.4, 0.7, 1)钎料合金对紫铜基板进行了熔钎焊试验,并对接头进行微观组织及力学性能分析. 结果表明,改变了接头结合界面处金属间化合物(intermetallic compound,IMC)组织结构,增强了接头剪切断裂的韧性断裂特征,提高了接头抗剪强度. 当Zn元素的加入量为0.4% (质量分数)时,接头抗剪强度达到最高的47.81 MPa. 添加Zn元素等温时效处理后,对接头中IMC层的生长有着抑制作用,并且随着时效温度的提高和时效时间的延长,脆性层Cu₅Zn₈会破碎直至消失,因此在改善接头结合界面处IMC组织性能的同时,不会改变其组成和结构.     

电-热耦合作用下Cu/SAC305/Cu中IMC的生长及元素扩散

在一定温度及电流密度下对Cu/SAC305(Sn-3.0Ag-0.5Cu)/Cu焊点进行不同加载时间的电迁移时效试验。分析了电-热耦合作用下,焊点界面IMC的生长机理及界面近区元素扩散特征。结果表明:电-热耦合作用下阳极界面IMC(金属间化合物)层厚度变化与加载时间成抛物线关系;阴极界面IMC层形貌变化显著,其厚度随加载时间的延长呈现先增厚后减薄的变化特征;焊点界面近区元素扩散分为两个阶段:初始阶段由于焊点各部分元素浓度相差悬殊,浓度梯度引起的元素扩散起主导作用,促进两极界面IMC厚度增加;扩散到一定程度后界面近区元素浓度梯度相对减小,电子风力引起的元素扩散占主导部分,促进阴极IMC分解阳极IMC形成,导致阴极IMC层厚度减薄,阳极IMC层厚度逐渐增大。     

Sn-Zn-Ga-xPr钎料组织与性能

研究了添加合金元素Ga及稀土元素Pr对Sn-Zn钎料组织与性能的影响.适量添加镨,可以提高钎料的润湿性能;但当镨含量超过0.12%(质量分数)时,镨会在钎料表面形成氧化渣,恶化钎料的润湿性能.镨的添加可以改善焊点的力学性能,抗剪强度在镨含量为0.08%时增加至最大.镨加入后细化了钎料基体中的富锌相,当镨含量不超过0.08%时,界面层平整且厚度变化不大,但若稀土添加过量,则界面层会明显增厚.镨在Sn9Zn0.5Ga钎料中的最佳添加量为0.08%左右.     

BGA单板结构与板级结构焊点剪切力学行为分析

采用试验方法研究BGA封装结构中焊点的剪切力学行为. 分析并比较了Sn-3Ag-0.5Cu,Sn-0.3Ag-0.7Cu,Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.07La和Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.07La-0.05Ce四种钎料焊点在单板结构与板级结构中的力学性能. 结果表明, 单板结构中焊点的抗剪强度高于板级结构中焊点的抗剪强度. 在单板结构中,高银焊点的抗剪强度最大,加入稀土元素的低银焊点只是得到了一定程度上的改善,然而对于板级结构,加入稀土元素的低银焊点剪切力学性能基本与高银焊点相当. 在同等拘束条件下,低银焊点的延展性优于高银焊点. 此外,对于同一种钎料而言,单板结构中的焊点断裂在体钎料上,而板级结构则断裂在IMC/体钎料界面处.     

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。     

不同应变速率下BGA焊球剪切断裂试验与模拟分析

研究了BGA封装Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊球经115℃时效后,焊球/铜界面IMC的形貌和组织变化,同时对BGA焊球在两种不同应变速率条件下的抗剪强度进行了分析,并运用ANSYS12.0软件对其过程进行2-D非线性有限元模拟.试验结果表明,随着时效时间的延长,界面形貌由时效前的树枝状变成连续平坦的层状、界面IMC不断增厚,且焊球的抗剪强度随着时效时间的增加而不断降低;应变速率越高,抗剪强度越高.模拟结果表明,应变速率越高,焊球经受的抗剪强度越大,Von Mises应力越大,等效塑性应变越小,塑性应变能密度越大.     

稀土钐对锡银铋钎料界面组织及性能的影响

研究了添加稀土元素钐(质量分数为0,0.025%,0.05%,0.1%,0.2%),对无铅钎料Sn-3.5Ag-1.5Bi/Cu润湿性、界面组织和焊点剪切强度的影响。结果表明,在钎料中添加适当的钐元素,可以提高其润湿性,含量为0.1%时,钎料的铺展面积最大为56.742 mm~2。随着钐元素的加入,金属间化合物(IMC)得到细化,当钐含量为0.025%时,金属间化合物厚度最薄为3.461μm。此时,剪切强度最大为91.67 MPa。几个成分条件下,接头断口均呈韧窝状,断裂方式为韧性断裂。     

Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu(Ni)焊点的抗时效性能

采用扫描电镜(SEM)研究在150 ℃等温时效下Cu/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu与Ni/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni焊点的界面扩散行为. 结果表明,在时效过程中,随着时效时间的增加,Cu/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu焊点界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)形貌由开始的细针状生长为棒状,IMC层厚度增加,界面IMC主要成分为(Cu,Ni)₆Sn₅. Ni/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni焊点的界面IMC形貌由细小突起状转变为较为密集颗粒状,且IMC层厚度增加,界面IMC主要成分为(Cu,Ni)₃Sn₄. 经过线性拟合,两种焊点的界面IMC层生长厚度与时效时间t1/2呈线性关系,Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu界面间IMC的生长速率为7.39 × 10?2 μm2/h,Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni界面间IMC的生长速率为2.06 × 10?2 μm2/h. 镀镍层的加入可以显著改变界面IMC的形貌,也可降低界面IMC的生长速率,抑制界面IMC的生长,显著提高抗时效性能.     

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.     

Pr,Nd对Sn0.3Ag0.7Cu0.5Ga无铅钎料显微组织的影响

分析了添加两种稀土元素Pr,Nd对Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5Ga无铅钎料基体组织、焊点界面组织的影响并测定了焊点抗剪强度.结果表明,在该钎料中分别添加Pr,Nd元素可以改善钎料的显微组织,且加入Pr元素的效果优于Nd.添加Pr元素的钎料基体组织中金属间化合物分布均匀,而后者易在晶界处产生“区域”状金属间化合物,成为裂纹的发源地.稀土元素的吸附作用可以降低钎料与铜基板界面反应的剧烈程度,从而改善界面的形貌.添加Pr元素的钎料可以更好地与铜基板结合,从而提高了焊点的抗剪强度.     

冷热冲击对无铅钎料可靠性的影响

文中对比了一种新型低银钎料Sn-Ag-Cu-Bi-Ni（SACBN07）与市场上的SAC305,SAC0307两种无铅钎料的抗冷热冲击性能.利用纳米压痕试验等微观测试方法研究时效后界面组织及力学性能的变化.结果表明,SACBN07的抗冷热冲击性能最好,焊点失效后三种材料中裂纹的扩展路径不同,SAC305失效裂纹位于体钎料中,SACBN07钎料断裂位置逐渐由钎料基体转移到金属间化合物（IMC）层中,而SAC0307断裂位于界面IMC中;钎料中Bi,Ni元素的加入有效地抑制了IMC的生长,相同冷热冲击时间,SACBN07钎料中界面IMC厚度最薄;SACBN07体钎料的硬度受冷热冲击影响最小,时效后仅降低了8.6%,而SAC305与SAC0307分别降低了12.5%和28.3%.     

钎焊及时效过程中化学镀Ni-P与Sn-3.5Ag的界面反应

研究磷含量为6.5%(质量分数)的化学镀Ni-P薄膜与Sn-3.5Ag钎料合金之间的润湿行为,以及Sn-3.5Ag/Ni-P焊点在钎焊和时效过程中的界面反应。结果表明:250℃时,直径为(2.3±0.06)mm的Sn-3.5Ag焊球在化学镀Ni-6.5%P薄膜上钎焊后得到的润湿角约为44,铺展率约为67%;焊点界面由Ni3Sn4IMC层、及较薄的Ni-Sn-P过渡层构成Ni3P晶化层;钎焊过程中界面Ni3Sn4IMC的生长速率与钎焊时间t1/3呈线性关系;时效过程中界面Ni3Sn4IMC及富P层的生长速率与时效时间t1/2呈线性关系。     

多场耦合条件下Cu/SnBi-xSm/Cu微焊点界面IMC生长行为的研究

采用超声协振复合钎焊技术制备Cu/Sn58Bi-x Sm/Cu微焊点,并通过自主研发的多场耦合时效装置,进一步研究在热场、电场、磁场和力场的四维多场耦合条件下,微焊点界面IMC(intermetallic compound)的微观组织变化和力学行为。结果表明:严酷多场耦合条件下,钎焊焊点热端IMC层逐渐变厚,其形状趋于平整;冷端逐渐变薄,其形状呈现出锯齿状。当添加的Sm含量为0.05%时,微焊点表现出良好的力学性能。随着多场耦合作用时间的增加,焊点的抗拉强度均有所下降,且拉伸断口的解理台阶变宽,气孔、夹杂数量增加,小裂纹发展为大裂纹,其数目也增多。