Sn8Zn3Bi-xCu/Cu焊接接头界面反应及力学性能研究

以Sn8Zn3Bi为研究对象,采用微合金化方法研究了不同含量的Cu元素对其显微组织、钎料合金与Cu基板钎焊后的界面金属间化合物(IMC)层尺寸及焊接接头剪切强度的影响。结果表明,Sn8Zn3Bi-xCu/Cu(x=0.3,0.5,0.8,1.0,1.5)焊接界面IMC主要为层状Cu5Zn8相。随着Cu含量的增加,界面IMC层的厚度逐渐减小,接头的剪切强度逐渐提高,Sn8Zn3Bi-1.5Cu/Cu接头剪切强度较Sn8Zn3Bi/Cu显著提高。经120℃时效处理后,Sn8Zn3BixCu/Cu(x=0,0.3,0.5,0.8,1.0,1.5)焊接接头剪切强度都明显下降,接头断裂方式由韧性断裂转为局部脆性断裂,但添加了Cu元素的钎料界面IMC生长速度较Sn8Zn3Bi钎料慢,因此Cu元素的添加抑制了界面IMC层的生长。     

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。     

200℃等温时效下SAC305/Co-5％P焊点的界面组织及断裂模式演变

目的研究BGA封装的SAC305/Co-5%P焊点在200℃等温时效下的界面反应。方法制备SAC305/Co-5%P的BGA焊点,200℃等温时效0, 200, 400, 600, 1000 h,采用场发射扫描电镜(配EDS)观察不同时效时间下SAC305/Co-5%P焊点界面的IMC形貌与断口特征,采用焊点接合强度测试仪测试相应的剪切强度变化。结果时效1000 h时,在钎料/Co Sn3的IMC层界面处生成(Cu, Co)_6Sn_5,界面CoSn3的IMC之间的通道得到填充,界面形貌变得平整。随着时效时间的增加,焊点的剪切强度先增后降,位于Sn层断口的断裂模式由韧性断裂向韧脆混合型断裂转变。结论随着时效时间的增加,界面IMC层厚度不断增加,界面IMC形貌发生改变。     

等温时效对新型Sn-Ag基复合钎料显微组织和力学性能的影响

研究了等温时效对Sn-3.5Ag共晶钎料及其复合钎料的力学性能和显微组织变化的影响。为了弥补传统复合钎料制备和服役中强化颗粒容易粗化的问题, 制备了不同种类最佳配比的具有纳米结构的有机无机笼型硅氧烷齐聚物(POSS)颗粒增强的Sn-Ag基复合钎料。对钎焊接头在不同温度（125、150、175℃）下进行时效,通过SEM和EDAX分析了钎料与基板间金属间化合物层(IMC)的生长情况。结果表明, 经过不同温度时效,复合钎料钎焊接头界面处金属间化合物的生长速率比Sn3.5Ag共晶钎料慢, 复合钎料的IMC生长的激活能分别为80、97和77kJ/mol,均高于Sn3.5Ag共晶钎料。经过150℃时效1000h后,复合钎料钎焊接头的剪切强度分别下降了22%、13%和18%,下降幅度相当或明显小于Sn-3.5Ag钎料钎焊接头。      

时效对无铅焊料Ni-P/Cu焊点的影响

研究了150℃等温时效为62Sn36Bp2Ag/Ni-P/Cu及共晶SnAg/Ni-P/Cu表面贴装焊点微结构及塑切强度的影响,结果表明,在钎料与Ni-P间的界面存在Ni3Sn4金属间化合物层,其厚度随时效时间增加,Ni-P层的厚度减小,时效后,SnPbAg,SnAg焊点的剪切强度下降,对于SnAg焊点,时效250h后其剪切强度剧烈下降,断裂发生在Ni-P/Cu界面上,在长时间时效后焊点一侧的Ni-P层中P的含量较主可能是Ni-P/Cu结合强度变差的主要原因,SnPbAg焊点保持着较高的剪切强度。     

合金元素对Cu/Sn-/Cu回流焊焊点界面微观结构及剪切性能的影响

选用Sn64Bi35Ag1、Sn64.7Bi35Ag0.3和Sn99Ag0.3Cu0.7三种不同的钎料进行回流焊焊接试验,研究高Bi元素、低Ag元素钎料及低Ag钎料对Sn基钎料焊点微观组织及剪切性能的影响.结果表明:各焊点界面处均生成了 一层扇贝状的Cu6Sn5金属间化合物,在含Bi元素的钎料焊点中,Bi元素在焊点界面及内部聚集,导致界面处金属间化合物层的厚度增加,大量富Bi相呈脆性,降低钎料中的Ag含量对焊点中Bi元素的富集现象有减弱作用.Sn99Ag0.3Cu0.7钎料焊点界面处的金属间化合物层厚度最小,且焊点内部形成了细小的Ag3Sn相颗粒,共晶组织呈均匀分布,使得焊点剪切性能最优,其剪切强度达20.4 MPa.     

纳米Cr颗粒对Sn-Zn-Bi-In/Cu钎焊焊点性能的影响

通过向Sn-Zn-Bi-In钎料中添加不同含量的纳米Cr颗粒制成新型复合钎料Sn-5Zn-10Bi-10In-xCr(x=0％,0.1％,0.3％,0.5％,质量分数),探讨纳米C r颗粒对时效前后钎焊焊点的组织形貌、元素分布、物相组成和力学性能的影响.结果表明:纳米Cr颗粒的添加能够抑制焊点金属间化合物(IMCs)的生长,随着纳米Cr颗粒含量的增加,IMCs扩散层厚度逐渐降低;界面处IMCs扩散层靠近母材Cu一侧为Cu5 Zn8相,靠近钎料区一侧为Cu6 Sn5相;随时效时间的增加,钎料侧部分Cu5 Zn8化合物长大分解,Cu3 Sn相形成;纳米Cr颗粒抑制了时效过程中IMCs扩散层的进一步长大;随着纳米Cr颗粒含量的增加,焊接焊点的剪切强度和显微硬度均先增加后下降,Sn-5Zn-10Bi-10In-0.3Cr/Cu焊点的剪切强度和硬度最高;时效后焊件的剪切强度比时效前均有所下降,但纳米Cr颗粒的添加使焊点保持了良好的剪切强度,时效后焊点钎料区显微硬度比时效前有所上升,但也始终保持在30HV0.1以下.     

Cu基板表面镀镍浸金保护层对无铅焊点可靠性的影响

结合Sn-3.5Ag和Sn-3.0Ag-0.5Cu两种无铅钎料研究了镀镍浸金层(Electroless Nickel Immersion Gold,ENIG)表面层对焊点界面反应以及力学性能的影响。结果表明,钎焊后在Sn-3.5Ag/ENIG/Cu界面主要生成(Ni_yCu_(1-y))_3Sn_4,在Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENIG/Cu界面主要生成(Cu_xNi_(1-x))_6Sn_5。在Sn基钎料/ENIG(Ni)/Cu界面处生成金属间化合物的种类及形貌由焊点中Cu原子含量决定。在时效过程中,ENIG表面层中Ni层有效抑制了焊点界面处金属间化合物的生长,减缓了焊点剪切性能的下降。在钎焊过程中ENIG表面层中的Au层不参与界面反应而是进入钎料基体与Sn反应,但是在时效过程中Au原子向界面迁移并造成焊点界面金属间化合物成分和焊点剪切强度的明显变化。     

纳米Ni 颗粒对焊锡膏的界面IMC 影响

目的研究纳米Ni对SnAg0.3Cu0.7无铅焊锡膏的焊点界面IMC影响。方法采用在助焊剂中添加纳米Ni颗粒,制备出纳米Ni颗粒增强的SnAg0.3Cu0.7焊锡膏,分析纳米Ni在150℃时效中对IMC的影响。结果在150℃时效中界面IMC的厚度随着时效时间延长而增大,形貌变成平缓层状;添加Ni质量分数为0.025%时,对界面IMC几乎无影响,当添加质量分数为0.05%和0.1%的纳米Ni能促进IMC的生长,但抑制Cu3Sn层的生长。结论通过添加纳米Ni颗粒,在150℃时效中可促进IMC的生长,抑制Cu3Sn层的生长。     

Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi钎料对化学镀镍SiCp/6063Al复合材料真空钎焊接头组织和性能的影响

采用Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi软钎料对镀镍后的两种不同体积比SiC_p/6063Al复合材料进行真空钎焊。通过SEM、剪切试验等方法分析了化学镀镍后SiC_p/6063Al复合材料真空钎焊接头的显微组织以及保温时间对接头性能的影响。结果表明:两种不同体积比SiC_p/6063Al复合材料真空钎焊后的焊缝组织致密,钎料对镀镍复合材料的润湿性良好;在270℃、保温35min的钎焊工艺下,钎焊接头的剪切强度最大值为38.3 MPa;钎料中的Sn、Cu元素能够与复合材料表面的Ni层发生化学反应,实现钎料与母材的冶金结合;镀镍后SiC_p/6063Al复合材料真空钎焊接头断裂形式为韧性断裂为主的混合断裂,断裂主要发生在钎料内部,部分发生在镀镍层与钎料的结合处。     

耐高温瞬时液相连接无铅钎焊接头的时效稳定性

通过瞬时液相(TLP)连接的互连工艺,采用Sn4.7Ag1.7Cu+Ag复合钎料,制备Sn4.7Ag1.7Cu+Ag复合钎料/Cu接头.采用SEM观察恒温时效过程中接头的组织,结合EDS对比不同工艺下试样接头组织,并对接头性能进行对比分析.结果表明:随着Ag颗粒含量的增加,Sn4.7Ag1.7Cu+Ag/Cu接头耐高温(300℃)服役性能随之提高;Ag含量为25％(质量分数)时接头在高于基体钎料熔点(217℃)83℃下服役15天未断裂,且抗拉强度为25.74 MPa,达到了低温焊接、高温服役的目的;与Sn4.7Ag1.7Cu/Cu接头相比,随着时效的进行,Sn4.7Ag1.7Cu+Ag复合钎料/Cu接头焊缝组织中残余的Ag颗粒不断溶解,并在接头界面附近产生大量Ag3 Sn化合物,而大量的块状Ag3 Sn化合物可以有效抑制焊缝中Sn元素向Cu基板扩散,达到抑制Cu3 Sn层生长的目的;在200℃服役温度条件下,随着时效的进行,Sn4.7Ag1.7Cu+Ag复合钎料/Cu接头力学性能先下降后上升,然后再下降并趋于稳定,且力学性能稳定性比Sn4.7Ag1.7Cu/Cu接头要好.     

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.     

仿SIMA法钎焊对Mn-Cu合金与430不锈钢接头组织及性能的影响

采用Cu-Mn-Ni-Sn钎料对Mn-Cu合金与430不锈钢分别进行普通钎焊(铸态钎料,850℃)和仿SIMA法钎焊(轧制态钎料,半固态温度790℃),研究钎焊温度对接头微观组织、化合物的形成数量以及剪切强度的影响。结果表明:普通钎焊接头中,不锈钢与钎缝的界面处形成(Mn,Fe,Cr)固溶体扩散层,但扩散层与钎缝界面位置形成裂纹。富Sn相沿Mn-Cu合金的晶界渗透促进了合金的熔化,钎缝与Mn-Cu合金之间形成联生结晶。不锈钢向钎料中的过度溶解以及Mn-Cu合金的局部熔化导致钎缝中形成大量针状Mn-Cr-Cu-Fe化合物。仿SIMA法钎焊接头中,不锈钢与钎缝的界面结合良好。在半固态温度下,钎料向不锈钢侧的扩散量减小,同时不锈钢向钎料溶解的程度也较小。在Mn-Cu合金侧,富Sn相沿晶界的渗透得到了有效抑制,钎缝与Mn-Cu合金之间可观察到明显的界面。由于钎料与母材之间的相互作用减弱,钎缝中针状化合物的数量明显减少。剪切试验中,两种钎焊接头均断裂于钎缝中的针状化合物分布区域。普通钎焊接头的剪切强度为173 MPa,仿SIMA法钎焊接头的剪切强度有所提高,为230 MPa。     

Sn2.5Ag0.7CuxRE钎料时效焊点界面IMC研究

以Sn2.5Ag0.7CuxRE/Cu钎焊为研究对象,借助于扫描电镜和X衍射检测手段,研究了二硫化钼介质下时效焊点界面IMC组织结构特征及生长行为。实验结果表明:时效焊点界面Cu6Sn5IMC呈现由波浪状→扇贝状→层状的形态变化。焊点界面Cu6Sn5和Cu3Sn IMC的生长厚度与时效时间平方根呈线性关系,Cu6Sn5IMC具有较小的生长激活能、较大的生长系数。添加0.1%(质量分数)RE时,界面Cu6Sn5和Cu3Sn IMC的生长激活能最大,分别为81.74 kJ/mol和92.25 kJ/mol,对应焊点剪切强度最高。     

液态Sn3.0Ag0.5Cu钎料与Cu、Fe及Co基板界面反应研究

研究了在固定温度380℃和不同钎焊时间条件下,液态Sn3.0Ag0.5Cu钎料与Cu、Fe、Co等3种金属基板的界面反应及其界面化合物(IMC)。研究结果表明,随着钎焊时间的增加,三者界面金属间化合物的平均厚度逐渐增加。Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面IMC主要由Cu_6Sn_5和Cu_3Sn组成,经过长时间钎焊后界面化合物大部分是Cu_3Sn。Sn3.0Ag0.5Cu/Fe界面化合物成分是FeSn2,相比另外两种界面,IMC在钎焊过程中生长最慢,形成的厚度最小。Sn3.0Ag0.5Cu/Co界面在短时间钎焊时(1min)会出现分层现象,认为是少量CoSn2和Sn原子在靠近钎料一侧反应生成CoSn3,靠近基板一侧生成CoSn2。长时间钎焊后观察到界面化合物只有CoSn3。通过对数据拟合可得到Sn3.0Ag0.5Cu/Cu、Fe、Co 3种液固反应界面的IMC层的生长率常数分别为9.55×10-6t 0.34,1.51×10~(-6)t~(0.18),0.85×10~(-6)t~(0.45)。比较3种基板,液态Sn基钎料与Cu基板的界面反应速率最快,IMC平均厚度也更厚。     

活性剂对 Sn-0 . 65 Cu 无铅钎料的 IMC 影响

研究了几种活性剂作用下Sn-0.65Cu/Cu的扩展率及焊点界面金属间化合物(IMC)的形貌,探讨了活性剂的活性强弱与IMC厚度的关系。结果表明,不同活性剂作用下Sn-0.65Cu/Cu扩展率的大小顺序为:氢化松香>戊二酸>苹果酸>柠檬酸;在活性越强的活性剂作用下,液态钎料在Cu基板上越容易铺展,钎料的温度分布更均匀,加剧了Sn原子和溶解在液态钎料的Cu原子的热运动,Sn原子与Cu原子反应结合的概率增大,导致生成的IMC层更厚。     

感应加热重熔无铅钎料凸台的界面反应及剪切性能

感应自发热重熔（ISHR）技术在电子互连的应用中具有明显的三维选择性加热和快速加热等优点．该方法能够很好地解决由于无铅钎料的应用引起的日益严重的诸多问题,如球栅阵列中各钎料球受热不均匀和芯片基板与钎料球同时受热等．为此,采用ISHR进行了无铅钎料Sn3．5Ag在Au／Ni／Cu焊盘上的重熔实验、高温老化实验以及凸台剪切实验．由实验结果可知钎料凸台可以提供足够的剪切强度．文中讨论了界面反应和金属间化合物的演化．在老化期间界面处生长了连续的Ni3Sn4金属间化合物层,同时在钎料体内部生成了分散的（Aux,Ni1-x）Sn4化合物．金属间化合物的生长速度与老化时间的平方根成正比。由此可以判断金属间化合物的生长是一种扩散控制过程．     

温度对Cu颗粒增强复合钎料蠕变性能的影响

蠕变性能是影响钎焊接头可靠性的重要指标之一.采用搭接面积为1 mm2的单搭接钎焊接头,在恒定载荷下,测定了Cu颗粒增强锡铅基复合钎料钎焊接头的蠕变寿命,分析并讨论了温度对该复合钎料蠕变寿命的影响.结果表明:Cu颗粒增强的锡铅基复合钎料的蠕变抗力优于传统63Sn37Pb共晶钎料;钎焊接头蠕变寿命随温度的升高而降低,并且温度对复合钎料钎焊接头蠕变寿命的影响较传统63Sn37Pb钎料明显.     

Ag颗粒增强复合钎料钎焊接头蠕变断裂及强化机理研究

测定了不同应力和温度下Ag颗粒增强复合钎料及基体钎料63Sn37Pb钎焊接头蠕变寿命,分析了Ag颗粒增强复合钎料及基体钎料钎焊接头蠕变断裂机理.表明:Ag颗粒增强复合钎料钎焊接头蠕变寿命优于基体钎料;Ag颗粒表面Ag-Sn金属间化合物形成及Ag颗粒对富Pb层阻碍作用是复合钎料钎焊接头蠕变性能提高的主要因素;钎焊接头Cu基板上一薄层富Pb相区形成是蠕变裂纹主要原因.     

热循环对SnAgCu(纳米Al)/Cu焊点界面与性能影响

研究了纳米0.1%(质量分数)Al颗粒对SnAgCu无铅钎料与铜基板之间界面反应的影响,研究两种无铅钎料界面在-55~125℃热循环过程中的生长行为及其焊点力学性能变化。结果表明:随着热循环次数的增加,界面层金属间化合物的厚度明显增加,焊后界面层金属间化合物为Cu6Sn5相,在热循环过程中在Cu6Sn5和Cu基板之间出现Cu3Sn相。发现纳米Al颗粒的添加,界面层金属间化合物的厚度明显减少,纳米颗粒对界面层的生长具有明显的抑制作用。同时对焊点在热循环过程中的可靠性进行分析,发现焊点的拉伸力随着循环次数的增加逐渐降低,含纳米Al颗粒的焊点具有明显的优越性,在焊点服役期间,焊点失效路径为Cu6Sn5/Cu3Sn的界面处。