无铅钎料的研究与开发

由于现行的Ｓｎ－Ｐｂ合金钎料中铅是有毒的，因此研究开发无铅软钎料是我国电子材料行业所面临的新课题。     

电子组装用无铅钎料的研究进展

随着电子组装技术的发展和人们对环境日益关注,研制和开发无毒高性能的无铅钎料替代传统的Sn Pb钎料成为热点。本文综述了无铅钎料使用的必然性和近年来国内外对无铅钎料研究的新进展,并介绍了今后可能的发展趋势。     

无铅钎料的研究开发现状

综述了近年来国内外无铅钎料的研究开发现状和部分无铅钎料的应用情况。重点介绍了国内外Sn-Ag和Sn-Zn系无铅钎料的研究与发展,以及合金元素对Sn-Ag和Sn-Zn系无铅钎料的微观组织、润湿性、熔点、腐蚀行为等方面的影响,并介绍了微量稀土元素对无铅钎料的组织和性能的影响。     

Sn-9Zn-xAg钎料在Cu基材上润湿性能及界面组织的研究

研究了添加合金元素Ag对Sn-9Zn无铅钎料显微组织、在铜基上的润湿性能及对钎料/铜界面组织的影响.研究结果表明:当Ag的含量(质量分数,下同)在0.1%～0.3%时,钎料中针状富Zn相逐渐减少,当Ag的含量在0.5%～1%时,钎料中出现Ag-Zn化合物相;当Ag的含量为0.3%时,钎料具有最好的润湿性能,当Ag的含量为0.5%～1%时,钎料的润湿性能下降;Sn-9Zn/Cu的界面处形成平坦的Cu5Zn8化合物层,当Ag含量为0.3%时,在Cu5Zn8化合物层上出现节结状的AgZn3化合物相,随着Ag含量的提高,这种节结状的AgZn3化合物相逐渐聚集长大成扇贝状的化合物层.     

液态Sn-Ag-Cu钎料润湿性能的优化

采用钎料改性工艺制备了Sn-3.5Ag0.6Cu合金,用润湿平衡法测试了液态Sn-3.5Ag0.6Cu钎料在铜基体表面的润湿性,研究了钎料制备工艺、钎剂卤素含量、浸渍温度和时间等因素对润湿性能的影响.结果表明:采用改性工艺可增强钎料的润湿性能,当钎剂卤素含量为0.4wt%、在270℃下浸渍2～3s时,液态Sn-3.5Ag0.6Cu钎料对铜表面的润湿性可以达到最佳状态.指出降低钎料的熔点和液态表面张力是提高润湿性的关键.     

元素掺杂的低银SAC无铅钎料综合性能研究

低Ag(Ag含量<1%,质量分数,下同)的SAC无铅钎料存在润湿性和可靠性不足的问题.为探索解决这些问题,研究了Ag含量、Ni和Bi等合金元素对合金微观组织、润湿性和溶铜性等关键性能的影响.结果表明:Ag含量的变化带来了组织、熔化特征和力学性能的规律性改变;Bi和Ni元素的少量添加能够提高合金的可焊性(润湿性),并降低合金的铜溶解率;SAC0805BiNi钎料的铜溶解率小于SAC0307和SAC305钎料,而润湿性接近SAC305钎料;Ag含量在0 3%~1%之间的合金韧性更好.因此,适当选择Ag含量和采用合适添加元素,成本相对较低的低银无铅钎料综合性能接近SAC305无铅钎料.     

SnAgCuEr系稀土无铅钎料的显微组织与性能研究

系统研究了添加微量稀土Er对Sn3.8Ag0.7Cu钎料合金显微组织和性能的影响,通过对钎料的熔化温度、润湿性能、接头剪切强度的测试及显微组织观察,指出含微量稀土的SnAgCuEr合金是性能优良的无铅钎料合金,同时确定了最佳的Er含量范围.     

低熔点Sn-Ag无铅钎料力学性能回归分析

首次运用Matlsb回归分析的方法研究不同成分的无铅钎料的力学性能,从而得到成分与相关力学性能的定量关系,为拟订科学合适无铅钎料配方提供可靠的理论指导.     

SnAgCu系无铅钎料技术发展

本文主要讨论了SnAgCu系无铅钎料技术及专利的发展现状,分析其特点与优势,发现该合金在一个较大成分范围熔化温度都接近共晶温度。研究发现在该合金中添加微量La、Ce混合稀土,在保持原有优良物理性能及钎焊工艺性能的同时合金的抗蠕变性能及服役可靠性,同时钎料成本低廉。另外,采用微米/亚微米颗粒,可进一步增强其抗蠕变性能及组装接头的尺寸稳定性,满足光通讯等电子设备制造的特殊要求。     

SnAgCu无铅钎料元素浸出行为研究

对常用的Sn-3.5%Ag-0.5%Cu无铅钎料及Sn-3.5%Ag-0.5%Cu/Cu焊接接头在H2SO4、NaOH、HNO3和NaCl溶液中进行了元素浸出试验,研究电子产品中重金属元素在不同环境中的浸出行为,从而分析电子产品的掩埋对土壤和地下水污染情况及如何合理选择填埋场所.结果表明,在不同环境中SnAgCu无铅钎料及其钎焊接头的各金属元素浸出行为有较大差别.对于SnAgCu钎料而言,对Sn的浸出量影响最大的是Cl-对Ag的浸出量影响最大的是SO2-4各溶液对Cu的浸出量影响不大;就SnAgCu/Cu焊接接头而言,对Sn和Cu的浸出量影响最大的是OH-而对Ag的浸出量影响最大的是Cl-.因此,一般掩埋Sn-3.5%Ag-0.5%Cu钎料最好的土壤应为酸性土壤,且土壤中Cl-、SO2-4不宜过高.     

Failure Modes of Lead Free Solder Bumps Formed by Induction Spontaneous Heating Reflow

The shear failure modes and respective failure mechanism of Sn3.5Ag and Sn3.0Ag0.5Cu lead-free solder bumping on Au/Ni/Cu metallization formed by induction spontaneous heating reflow process have been investigated through the shear test after aging at 120℃ for 0, 1, 4, 9 and 16 d. Different typical shear failure behaviors have been found in the loading curves （shear force vs displacement）. From the results of interracial morphology analysis of the fracture surfaces and cross-sections, two main typical failure modes have been identified. The probabilities of the failure modes occurrence are inconsistent when the joints were aged for different times. The evolution of the brittle NiaSn4 and Cu-Ni-Au-Sn layers and the grains coarsening of the solder bulk are the basic reasons for the change of shear failure modes.     

Characteristics of Laser Reflow Bumping of Sn3.5Ag and Sn3.5Ag0.5Cu Lead-Free Solder Balls

ead-free Sn3.5Ag and Sn3.5Ag0.5Cu solder balls were reflowed by laser to form solder bumps. Shear test was performed on the solder bumps, and SEM/EDX （scanning electron microscopy/energy dispersive X-ray spectrometer） was used to analyze the formation of intermetallic compounds （IMCs） at interface region. A finite element modeling on the temperature gradient and distribution at the interface of solder bump during laser reflow process was conducted to elucidate the mechanism of the IMCs growth direction. The results show that the parameters window for laser reflow bumping of Sn3.5Ag0.5Cu was wider than that of Sn3.5Ag. The shear strength of Sn3.5Ag0.5Cu solder bump was comparable to that of Sn3.5Ag solder bump, and was not affected obviously by laser power and irradiation time when appropriate parameters were used. Both laser power and heating time had a significant effect on the formation of IMCs. A continuous AuSn4 intermetallic compound layer and some needle-like AuSn4 were observed at the interface of solder and Au/Ni/Cu metallization layer when the laser power is small. The formation of needle-like AuSn4 was due to temperature gradient at the interface, and the direction of temperature gradient was the preferred growth direction of AuSn4. With increasing the laser power and heating time, the needle-like AuSn4 IMCs dissolved into the bulk solder, and precipitated out once again during solidification along the grain boundary of the solder bump.     

Wetting Behaviors and Interfacial Reaction between Sn-10Sb-5Cu High Temperature Lead-free Solder and Cu Substrate

Sn-10Sb-5Cu lead-free solder was fabricated for high temperature application in electronic package. Wetting behaviors and interfacial reaction between such a high temperature lead-free solder and Cu substrate were investigated and compared with those of 95Pb-Sn solder. The results showed that the wetting properties of Sn-10Sb-5Cu solder are superior to those of 95Pb-Sn solder in maximum wetting force, wetting time and wetting angle in the temperature range of 340-400 ℃. However, the surface of the Sn-10Sb-5...     

Sn-2Ag-2.5Zn低银含量合金焊料界面反应

共晶Sn-Ag-Cu无铅焊料由于成本和可靠性问题导致应用受到限制,将Sn-2Ag-2.5Zn低银含量合金焊料与不同基板焊接,研究焊接后界面反应以及随后不同时效处理条件下的组织形貌变化及可靠性。Sn-2Ag-2.5Zn焊料由直接熔炼法制成焊球,将焊球置于焊接强度测试仪中与基板加热焊接,随后将焊点置于加热炉中进行时效处理。结果表明:焊料与裸Cu基板焊接,时效处理后在界面处形成Cu₅Zn₈和Ag₃Sn致密双层IMC结构,双层结构相互阻隔,限制铜锡IMC的发展。焊料与电镀有Ni阻挡层Cu基板焊接,焊接界面形成薄层Ni₃Sn₄金属化合物,时效1 000 h后Ni₃Sn₄的厚度约为1 μm,Ni阻挡层的厚度保持在2~3 μm, Ni阻挡层的阻挡效果稳定。Sn-2Ag-2.5Zn焊料在长时效处理中损耗性能优良,耐热时效处理性好,焊料连接的质量较好,界面可靠性较高,对环境污染少。Sn-2Ag-2.5Zn焊料中低银含量使得成本大幅下降,不容易形成粗大的金属间化合物Ag₃Sn,性能有所改善,是一种非常有应用前途的合金焊料。     

SnAgCu-xBi/Cu焊点界面反应及微观组织演化

本工作在Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料中添加不同含量的Bi(0.1%,0.5%,1.0%(质量分数)),以此来研究Bi含量对Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点的界面反应及金属间化合物微观组织演化的影响。结果发现:回流反应之后,焊点界面形成扇贝状的Cu_6Sn_5,对焊点进行时效处理后发现,在Cu_6Sn_5层与Cu基板之间又出现了一层Cu_3Sn,并且Cu_6Sn_5层的上表面及焊料中出现了颗粒状的Ag_3Sn,Ag_3Sn颗粒的数量随着时效时间的延长而增多;5d的时效处理之后,在Cu基板的上表面和Cu_3Sn层中发现了柯肯达尔孔洞,同时在大多数焊点界面的Cu_6Sn_5层的上表面和Cu_6Sn_5层中出现了裂纹,推测裂纹是由于热膨胀系数差导致的残余应力而形成的。时效过程中,焊点界面金属间化合物(IMC)层的厚度不断增加,并且IMC的平均厚度与时效时间的平方根呈线性关系。对比未添加Bi元素的Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点发现,添加微量的Bi元素对IMC层生长有抑制作用,当Bi含量为1.0%时,抑制作用最为明显,而Bi含量为0.5%时,抑制作用最弱。Cu_6Sn_5晶粒的平均直径随着时效时间的延长而增加,且Cu_6Sn_5晶粒的平均直径与时效时间的立方根呈线性关系。     

回流次数对In3Ag焊料微观组织和剪切性能的影响

用扫描电镜和能量色散仪分别对In3Ag焊料焊点基体及其与铜基板界面IMC（Intermetallic compound）层的组织结构进行观察和分析,用力学试验机测试焊点的剪切强度,研究了电子封装中回流次数对In3Ag焊料微观组织和剪切性能的影响。结果表明:随着回流次数的增加,基体中二次相AgIn2显著长大,由颗粒状变为长条状,界面IMC层（成分为（Ag,Cu）In₂）的厚度线性增加,其生长由界面反应速率和组元扩散速率混合控制,焊点剪切强度呈下降趋势,由1次回流的5.03 MPa降到5次回流的2.58 MPa;回流1、2、3次后焊点剪切断裂方式均为焊料内部韧性断裂,回流5次后断裂机制转变为韧脆混合断裂。     

Cu/Sn37Pb/Cu钎焊接头界面微观结构及其剪切性能

本工作借助扫描电镜(SEM)等手段,针对Cu/Sn37Pb/Cu钎焊接头进行剪切断裂实验,考察并分析钎焊及等温时效处理后焊点接头金属间化合物(IMC)的生长情况以及搭接焊点的剪切强度和断裂模式,旨在深入研究高体积分数界面IMC层对钎焊接头剪切性能及断裂形貌的影响。实验结果表明:在时效处理过程中,界面Cu3Sn层逐渐增厚且逐渐变得平坦。此外,在Cu3Sn/Cu界面观察到柯肯达尔空洞现象,随着时效时间的延长,空洞数量增多且尺寸变大。随着界面IMC层厚度增加,接头的剪切强度先增加后下降,这可能是由于脆性IMC厚度过大或粗化的富Pb相和富Sn相增多引起的。当时效时间与钎焊时间较短时,焊点具有较高体积分数的本体焊料,焊点断裂模式为韧性断裂,随着时效时间或钎焊时间的延长,焊点内IMC体积分数逐渐升高,焊点断裂模式开始转变为韧脆混合断裂,最后转变为脆性断裂。     

Effect of a Trace of Bi and Ni on the Microstructure and Wetting Properties of Sn-Zn-Cu Lead-Free Solder

The microstructure and melting behavior of Sn-9Zn-2Cu （SZC） lead-free solder with 3 wt pct Bi and various amount of Ni additions were studied. The wetting properties and the interracial reaction of Sn-Zn-Cu with Cu substrate were also examined. The results indicated that the addition of 3 wt pct Bi could decrease the melting point of the solder and Ni would refine the microstructure and the rod-shape Cu5Zn8 phase changed into square-shape （Cu, Ni）5Zn8 phase. The addition of Bi, Ni greatly improved the wettability of SZC solder. In addition, the interracial phase of the solders/Cu joint was typical planar Cu5Zn8 in SZC-3Bi-INi alloy.     

不同温度下Sn-0.7Cu钎料在非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金上的润湿行为及界面特征

采用座滴法及利用SEM-EDS分别对Sn、Sn-37Pb、Sn-58Bi和Sn-0.7Cu四种钎料在非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金上的静态润湿及界面特征进行了对比研究,优选出Sn-0.7Cu钎料作为适用于非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金的焊接钎料。进而采用座滴法研究了不同温度下Sn-0.7Cu钎料在非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金上的动态润湿行为,并利用SEM-EDS观察分析了其在非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金表面润湿后的界面微观组织形貌及成分。结果表明,Sn-0.7Cu钎料在非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金上的最终平衡润湿角随着温度的升高而变小,润湿性越来越好;同时Sn-0.7Cu与非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金界面上形成的FeSn_2金属间化合物由间断分布变为连续分布,且其厚度逐渐增加,界面反应逐渐增强。     

Sn-3.5Ag/Cu界面金属间化合物的生长行为研究

研究了Sn-3.5Ag无铅钎料和Cu基体在钎焊和时效过程中界面金属间化合物的形成和生长行为.结果表明,在钎焊过程中,由于钎料中存在着Cu的溶解度,界面处生成的金属间化合物存在着分解现象.因此Sn-3.5Ag/Cu界面金属间化合物层厚度与化合物层的分解有着密切关系.由于吸附作用,金属间化合物表面形成了纳米级的Ag3Sn颗粒.当钎焊接头在70,125,170℃时效时,钎焊时形成的扇贝状金属间化合物转变为层状.金属间化合物的生长厚度与时效时间的平方根呈线性关系,其生长受扩散机制控制.整个金属间化合物层和Cu6Sn5层的生长激活能分别为75.16 kJ/mol,58.59kJ/mol.