多场耦合条件下SnAgCu/Cu界面化合物生长行为

基于自制的多场耦合热循环装置,研究了Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu钎焊接头热循环过程中界面金属间化合物(IMC)微观组织变化和断裂行为. 结果表明,在多场耦合及30~150 ℃热疲劳循环下,随着循环周期的增加,界面IMC厚度越来越厚,且在较短循环时间内IMC的形貌由扇贝状转变为层状,400周期后界面化合物的厚度增长变缓;当循环周期达到600时,界面上空洞聚集长大,产生界面开裂,进而导致疲劳失效. 同时随着循环周期增加,接头的抗剪强度也逐渐下降,也有脆性断裂的趋势.     

蠕变对Cu/SnBi-xSm/Cu焊点界面形态及力学性能的影响

在Sn-58Bi复合焊料中添加不同含量的稀土钐,分别经过100、200和300 h蠕变处理后分析Sn-58Bi复合焊料焊后接头的润湿性、显微组织、拉伸强度以及断口形貌。结果表明,稀土钐的添加能有效地改善焊接接头的综合性能,钐含量为0.05%时,焊接接头的综合性能最佳。添加稀土钐能增大复合焊料的铺展面积,0.05%Sm时,复合焊料的铺展面积比未添加前增加了23.2%,复合焊料中断口孔洞数量最少,拉伸性能最佳,抗拉强度最高。蠕变处理后,焊接接头的晶粒变得粗大,抗拉强度变弱,综合性能下降。稀土钐的添加还有利于孔洞的减少。蠕变时间越长,对焊点界面组织和性能的破坏越大。     

SnAgCu/Cu微焊点界面IMC演变及脆断分析

<正>随着电子产业无铅化进程的推进,Sn-Ag-Cu(SAC)系无铅钎料备受关注。然而目前市场主流SAC钎料Ag含量(质量分数,3%)较高,导致其成本高,焊点的脆性较大,所以开发低银无铅钎料十分必要。文中以新型低银SAC系钎料为研究载体,对低银无铅微     

Sn3.0Ag0.5Cu0.05Cr/Cu焊点界面IMC层热时效形貌及生长行为研究

研究了Sn3.0Ag0.5Cu0.05Cr焊料(SACCr)制成的Cu/Solder/Cu焊点在150℃时效0、168、500及1000 h下界面金属间化合物(IMC)层的形貌及生长行为,并与Sn3.0Ag0.5Cu(SAC)焊料的焊点进行了比较。结果表明,相对于SAC的焊点,SACCr中弥散或固溶分布的微量Cr延缓了焊点界面IMC层的生长。时效时间越长,Cr的阻抑效果越明显。150℃时效1000 h的Cu/SACCr/Cu焊点界面IMC层的平均厚度是Cu/SAC/Cu的45%,仅为5.13μm。     

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.     

SnAgCu／Cu微焊点界面IMC演变及脆断分析

随着电子产业无铅化进程的推进,Sn-Ag—Cu（SAC）系无铅钎料备受关注。然而目前市场主流SAC钎料Ag含量（质量分数,3％）较高,导致其成本高,焊点的脆性较大,所以开发低银无铅钎料十分必要。文中以新型低银SAC系钎料为研究载体,对低银无铅微焊点界面金属间化合物（IMC）演变行为及微观力学性能进行了研究．     

全IMC微互连焊点界面反应机理及微观力学行为研究

“全IMC”焊点以金属间化合物（IMC-Intermetal lic Compounds）为微互连介质,结构为金属/IMC/金属。     

SAC305/Cu微焊点界面金属间化合物生长速率

界面金属间化合物(IMC)的生长速率是影响钎焊接头可靠性的重要因素. 文中研究了焊点尺寸、时效温度及镍镀层对SAC305/Cu微焊点界面IMC生长速率的影响. 结果表明,焊球尺寸为200,300,400和500 μm,时效温度为100,130,160 ℃条件下,界面IMC层厚度生长速率随时效时间平方根数值的升高而增长. 焊点尺寸由小变大,界面IMC层厚度更薄,IMC的生长速率也更小. 随着时效温度的升高,界面IMC生长速率增大. 镍镀层对界面IMC的生长速率有明显的抑制作用,即降低IMC生长速率,使其增厚变缓.     

Cu/Sn/Cu微焊点界面反应的微观组织

采用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了Cu/Sn/Cu微焊点焊后态以及110℃×400h时效态的界面反应状况。结果表明,Cu/Sn/Cu微焊点界面反应后的组织由Cu_6Sn_5、Cu_3Sn与β-Sn构成。经110℃×400h时效后,β-Sn被大量消耗,Cu_6Sn_5由焊后态的扇贝状向多边形块状转变,Cu_3Sn仍保持长条状。另外,400h时效后,Cu_6Sn_5的(0001)面择优取向特点不变,且0001晶向平行于RD(轧向)方向。计算取向差角分析400h时效后生成的Cu_6Sn_5界面类型,发现取向差角分别约为53°、45°、36°,为大角度晶界。组织形貌与晶粒取向分析的结果表明,等温时效对焊点微观组织取向影响较小,但对组织的转变与生长影响极大。     

多场耦合时效对微焊点界面组织与性能的影响

模拟复杂环境中的热场、电场、磁场和力场四维场合,设计制作了多场耦合时效装置,研究了Cu/Sn58Bi-0.05Sm/Cu微焊点在25、50、100和200 h的多场耦合时效过程中,界面金属间化合物的微观组织变化和力学行为。结果表明:随着时效时间的延长,焊点热端(阳极)的IMC层平整饱满,逐渐变厚,而冷端(阴极)呈现锯齿形,逐步变薄,出现大量的空位和空洞,并形成裂纹;焊点抗拉强度呈抛物线型下降,时效初期抗拉强度降速较大,之后降速逐渐减缓;拉伸断口逐步呈现小裂纹→单一大裂纹→多条大裂纹的现象,断裂机理为解理断裂,焊点的可靠性不断降低。     

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     

微焊点Cu/SAC305/Cu固-液界面反应及电迁移行为

研究了电迁移过程中Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点界面金属间化合物（IMC）的生长演变机制,分析了电载荷作用下固-液电迁移与固-固电迁移的区别. 结果表明,固-液电迁移过程中,随着加载时间的延长,两极IMC层厚度均增厚,且阳极IMC层厚度增长速率比阴极大;阴极侧IMC晶粒径向尺寸一直增大,轴向尺寸呈先增大后减小的变化规律,阳极侧IMC晶粒的尺寸在轴向与径向均增大;加载过程中,阳极IMC晶粒尺寸始终大于阴极;与固-固电迁移相比,固-液电迁移后,阴极侧,焊点IMC形貌更规则,且表面光滑度提高;阳极侧,固-固扩散时界面IMC晶粒形貌为多边形球状,而固-液扩散时界面IMC形貌为多边形柱状.     

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%.     

电场作用下SnAgCu焊点界面化合物生长行为研究

研究了电场对Sn3.0Ag0.5Cu焊点界面间化合物(IMC)的影响。结果表明:电流会对试样IMC厚度起促进作用,IMC生长速度随着电流的增大呈递增趋势,且大电流对IMC生长作用明显,小电流对IMC生长的促进作用有限。IMC由Cu6Sn5和Cu3Sn共同组成,呈扇贝状生长。     

SnAgCu/Cu和SnPb/Cu界面热-剪切循环条件下化合物的生长行为

对热剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu和Sn-Pb/Cu界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究。结果表明:再流焊后,在两界面上均形成一种Cu6Sn5化合物;随着热剪切循环周数的增加,两界面上化合物的形态均从扇贝状向层状生长,其厚度随循环周数的增加而增加,且生长基本遵循抛物线规律,说明Cu原子的扩散控制了Cu6Sn5化合物的生长。界面近域的钎料内,颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状。     

ZnO纳米颗粒对Cu(Mo)/Sn-3.0Ag-0.5Cu-xZnO焊点界面IMC生长行为的影响

采用F4N回流炉制备了0.5wt%和1.0wt%两种ZnO纳米复合钎料Cu(Mo)/Sn-3.0Ag-0.5Cu的焊点。在170℃对焊点进行不同时间(0、48、96、144、192和240 h)的等温时效处理。采用SEM对焊点界面形态进行分析。结果表明随着时效时间的增加,界面形态由间断的扇贝状演化为连续的扇贝状。相同时效时间下,0.5wt%ZnO纳米复合钎料的界面金属间化合物(IMC)层较1.0wt%ZnO复合钎料的界面平缓,界面IMC的扩散系数随着ZnO含量的增加而增大,分别为5.44×10~(-18)m~2/s和8.03×10~(-18) m~2/s。探明了ZnO纳米颗粒阻碍界面IMC层生长的机理。     

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。     

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。     

85℃时效Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点界面化合物生长行为

以Sn-9Zn/Cu焊点为参比物,研究了Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点在85℃时效条件下界面金属间化合物(IMC)的生长行为。结果表明,相同钎焊工艺条件下,与Sn-9Zn/Cu相比,Sn-8Zn-3Bi/Cu界面反应更为充分。在85℃时效过程中,Sn-9Zn/Cu界面IMC结构稳定,Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点界面IMC生长速率变化不大,界面IMC层增厚速率在界面反应初期较快而在后期则显著下降。Bi的添加对合金熔点的降低促进了界面初期反应过程的充分进行。随着界面反应时间的延长,Bi对Cu-Zn(IMC)层的生长表现出明显的抑制作用,界面IMC生长动力学时间指数显著减小。     

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.