锡基合金在模拟土壤溶液中的腐蚀与浸出（英文）

研究Sn-0.75Cu焊料合金及其接头在NaCl-Na_2SO_4和NaCl-Na_2SO_4-Na_2CO_3模拟土壤溶液中的腐蚀与浸出行为,并与其在NaCl溶液中的行为进行对比,以评估废弃电子产品被填埋时对环境的潜在危害。Sn的浸出动力学表明,Sn的浸出量随时间的增加而增加。在NaCl溶液中接头的Sn浸出量是最多的。SO_4~(2-)和CO_3~(2-)阻碍了接头中Sn的浸出,但加速了焊料中Sn的浸出。在NaCl溶液中的接头表面腐蚀层疏松多孔,而在NaCl-Na_2SO_4和Na Cl-Na_2SO_4-Na_2CO_3溶液中的接头表面腐蚀层则较为致密。XRD结果表明,焊料和接头表面的腐蚀产物以Sn的氧化物、氯化物和碱式氯化物为主。讨论了焊料合金在模拟土壤溶液中的动电位极化曲线。     

工业纯Sn和Sn-3Ag-0.5Cu合金在沈阳大气环境下自然暴露的初期腐蚀行为

通过沈阳大气环境下的自然暴露实验研究工业纯Sn和Sn-3Ag-0.5Cu合金的早期大气腐蚀行为。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)分析了表面腐蚀产物的形貌与成分。结果表明:工业纯Sn与Sn-3Ag-0.5Cu合金在沈阳工业大气环境下自然暴露后都很快发生了表面腐蚀并失泽,早期腐蚀产物疏松、龟裂并易于剥落。XPS深度分析表明:自然条件下暴露18 d后,表面腐蚀产物层厚度约为400 nm。工业大气中的悬浮物颗粒对腐蚀的形核和扩展起重要作用,Sn-3Ag-0.5Cu合金中的第二相Ag3Sn和Cu6Sn5作为阴极存在,但对大气腐蚀的加速影响不大。     

Sn-0.75Cu钎料接头在NaCl溶液中的电化学腐蚀行为(英文)

采用动电位极化及浸出方法研究Sn-0.75Cu钎料及Sn-0.75Cu/Cu接头在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为。极化曲线测试结果表明Sn-0.75Cu钎料的腐蚀速率比Sn-0.75Cu/Cu接头的低。在特殊电位时的形貌观察及相分析表明,在Sn-0.75Cu钎料表面活化溶解区形成腐蚀产物Sn3O(OH)2Cl2。从活化/钝化区开始,Sn-0.75Cu钎料的表面完全被腐蚀产物Sn3O(OH)2Cl2覆盖,并且在极化测试后出现蚀坑。与Sn-0.75Cu钎料合金相比,Sn-0.75Cu/Cu接头的钎料表面在活化区形成较多的Sn3O(OH)2Cl2,在极化测试结束时腐蚀坑的尺寸较大。浸出实验结果证实了Sn-0.75Cu/Cu接头较快的电化学腐蚀速率引起较多的Sn从中接头中释放出来。     

Sn-3.5Ag-2Bi-0.7Cu无铅焊料压入蠕变性能的研究

对Sn-3.5Ag-2Bi-0.7Cu无铅焊料在温度为50～100 ℃,应力为16.7～43.2 MPa条件下的压入蠕变性能进行研究.得到压入蠕变的应力指数n=3.181、蠕变激活能Q=59.189 kJ/mol、材料的结构常数A=0.423.获得Sn-3.5Ag-2Bi-0.7Cu无铅焊料稳态压入蠕变速率本构方程:(ε)=0.423σ3.181exp(-59189/RT).随着温度和应力的增加,Sn-3.5Ag-2Bi-0.7Cu无铅焊料的压入蠕变速率明显增加,蠕变后Ag3Sn、Cu6Sn5相明显变粗变短.Ag3Sn和Cu6Sn5可强化基体,提高(-Sn基体的抗压入蠕变性能.     

Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面的显微结构

研究了热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu钎料／Cu界面的显微结构，分析了界面金属间化合物的生长行为，并与恒温时效后的Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面进行了对比。结果表明：恒温时效至100h，Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上已形成Cu6Sn5和Cu3Sn两层金属间化合物；而热-剪切循环至720周Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上只存在Cu6Sn5金属间化合物层，无Cu3Sn层生成，在界面近域的钎料内，颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状；在热-剪切循环和恒温时效过程中，界面金属间化合物的形态初始都为扇贝状，随着时效时间的延长逐渐趋于平缓，最终以层状形式生长。     

Sn-9Zn/Cu焊点界面金属间化合物层结构研究

研究了过热度、冷却速率和时效处理对Sn-9Zn/Cu界面金属间化合物的形成及厚度的影响,并与同等条件下的Sn-3.5Ag-0.7Cu/Cu和Sn-37Pb/Cu界面作了比较。通过XRD、SEM及EPMA等检测发现,在Sn-9Zn/Cu界面上形成的金属间化合物可分为2层:近Cu侧的Cu-Zn化合物层和近焊料侧的Cu-Zn-Sn化合物层,同时在2层化合物的分界面上还检测出了大量的O。试验还发现,熔融过热度和冷却速率对焊料/Cu界面上金属间化合物的厚度有较大影响,随着熔融保温温度的升高和冷却速率的下降,厚度增加,且Sn-9Zn/Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu/Cu界面受熔融过热度和冷却速率的影响比Sn-37Pb/Cu界面大。在250℃+空冷的时效过程中,由于界面上Cu-Zn化合物层分解和Cu-Zn-Sn化合物层生长相互竞争,导致Sn-9Zn/Cu界面金属间化合物的厚度变化无明显规律。     

Sn–xAg无铅焊料中Ag含量对其显微组织、腐蚀行为和与Cu基体界面反应的影响（英文）

研究不同Ag含量(0、3.0%、3.5%、4.0%和5.0%,质量分数)对预焊Sn-xAg无铅焊料显微组织和腐蚀行为的影响,以及对焊料与铜基体间形成金属间化合物界面层的影响。Ag含量对焊料中Ag_3Sn相的形貌有一定的影响。显微组织分析结果表明,在3.0Ag和3.5Ag焊料中,β-Sn相被共晶组织网络所包围;在4.0Ag和5.0Ag焊料中,形成大的片状Ag_3Sn相。但是,动电位极化曲线测试结果显示,Ag含量对铸态焊料腐蚀行为的影响甚微。与铜基体焊接后,在Sn-xAg/Cu界面处仅形成单层的Cu6Sn5金属间化合物。与未掺Ag的焊料相比,掺Ag的焊料与基体的界面中形成的Cu_6Sn_5金属间化合物层更薄。与4.0Ag和5.0Ag焊料中形成的大片状Ag_3Sn相比,在3.0Ag和3.5Ag焊料中析出的共晶网络中细小的Ag_3Sn颗粒沉淀,能更有效地抑制Cu_6Sn_5晶粒的生长。     

人工模拟海洋大气环境下Sn-0.7Cu无铅焊料的点蚀行为及微量Ga的影响

通过人工海水的盐雾干-湿实验模拟海洋大气环境,研究了Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.01Ga合金的腐蚀行为.采用SEM和XPS分析了合金表面腐蚀形貌及腐蚀产物成分,采用XRD分析了腐蚀产物的结构.结果表明:Sn-0.7Cu合金腐蚀初期发生明显的点蚀,点蚀易于在富Cu区萌生,且以触须状向外扩展;腐蚀后期腐蚀产物分层,龟裂且易于剥落,此时腐蚀产物不具有保护性.XRD分析表明.腐蚀产物主要为非晶态Sn的氧化物,同时有少量的SnCl_2·2H_2O;微量元素Ga能显著提高Sn-0.7Cu合金的抗盐雾腐蚀性能.XPS分析表明,微量元素Ga在表面存在明显的富集行为,并形成一种致密的保护性氧化膜,它是提高Sn-0.7Cu合金抗盐雾腐蚀性能的主要原因.     

Sn-1.5Ag-2Zn低银无铅焊料与取向铜界面研究

目的 高密度封装技术能减少焊盘尺寸和焊盘里面所含晶粒的数量,当多晶焊盘转为单晶焊盘时,晶粒的取向会对界面处金属间化合物的形成产生重要影响。选取具有发展前景的Sn-1.5Ag-2Zn作为焊料合金,研究焊料与单晶(111)铜基板界面反应,得到金属间化合物的生长动力学规律。方法 将Sn-1.5Ag-2Zn无铅焊料分别与单晶(111)铜基板及多晶紫铜基板在250 ℃下进行回流焊接5 min,将焊接后的样品在160 ℃下分别进行20 h,100 h,300 h,600 h热处理。用扫描电子显微镜背散射电子成像和二次电子成像、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪等研究焊接界面处的显微组织、金属间化合物成分以及性能。结果 合金焊料与铜基板接触迅速生长出凹凸不平类似扇贝状Cu6Sn5金属间化合物层,与单晶铜表面形成的Cu6Sn5晶粒尺寸比多晶铜的大,单晶铜无晶界阻挡原子扩散,影响晶粒形核与长大。合金焊料与单晶(111)铜焊点在160 ℃下热处理20 h快速形成的Cu6Sn5生长速度是多晶铜上焊点的2倍左右。而后随热处理时间增加增长缓慢,热处理600 h后厚层Cu6Sn5由于裂纹扩散出现溃断,金属间化合物的厚度维持在3.5 µm。焊料与多晶铜焊点在热处理过程中生成的Cu5Zn8起到阻挡层的作用,阻挡焊料与铜基板接触,抑制Cu6Sn5生成,热处理300 h后Cu5Zn8破碎分解,Cu6Sn5在阻挡层消失后快速生长,厚度约为2.8 µm。结论 单晶铜上焊点金属间化合物的厚度比多晶铜上金属间化合物的厚度多0.7 µm,热处理后合金焊料与单晶铜界面形成的金属间化合物致密性更好,基本没有孔隙,而合金焊料与多晶铜界面上金属间化合物晶粒间存在明显孔隙,可以预测合金焊料与单晶铜界面的焊接质量更好。     

底充胶叠层PBGA无铅焊点随机振动应力应变分析

建立了底充胶叠层塑料球栅阵列(plastic ball grid array, PBGA)无铅焊点三维有限元分析模型,研究了PBGA结构方式、焊点材料、底充胶弹性模量和密度对叠层无铅焊点随机振动应力应变的影响. 结果表明,底充胶可有效降低焊点内的随机振动应力应变;在其它条件相同下,对于Sn95.5Ag3.8Cu0.7,Sn96.5Ag3Cu0.5,Sn-3.5Ag和Sn63Pb37这四种焊料,采用Sn-3.5Ag的底充胶叠层焊点内的随机振动最大应力应变最小,采用Sn96.5Ag3Cu0.5的焊点内的最大应力应变最大;随着底充胶弹性模量的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应减小;随着底充胶密度的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应增大.     

EFFECT OF LASER INPUT ENERGY ON AuSnx INTERMETALLIC COMPOUNDS FORMATION IN SOLDER JOINTS WITH DIFFERENT THICKNESS OF Au SURFACE FINISH ON PADS

Formation of AuSnx intermetallic compounds （IMCs） in laser reflowed solder joints was investigated. The results showed that few IMCs formed at the solder/0. 1μm Au interface. Needlelike AuSn4 IMCs were observed at the solder/0.5μm Au interface. In Sn-2.0Ag-O,75Cu-3,0Bi and Sn-3.5Ag-O.75Cu solder joints, when the laser input energy was increased, AuSn4 IMCs changed .from a layer to needlelike or dendritic distribution at the solder/0.9μm Au interface. As for the solder joints with 4.0 μm thickness of Au surface finish on pads, AuSn4 , AuSnx, AuSn IMCs, and Au2Sn phases formed at the interface. Moreover, the content of AuSnx IMCs, such as, AuSn4 and AuSn2, which contained high Sn concentration, would become larger as the laser input energy increased. In the Sn-37Pb solder joints with 0.9 μm or 4.0 μm thickness of the Au surface finish on pads, AuSn4 IMCs were in netlike distribution. The interspaces between them were filled with Pb-rich phases.     

Sn-6Bi-2Ag(Cu, Sb)无铅钎料合金微观组织分析

利用差示扫描量热计 (DSC)测定了Sn 6Bi 2Ag ,Sn 6Bi 2Ag 0 .5Cu ,Sn 6Bi 2Ag 2 .5Sb三种新无铅钎料合金的熔化温度。结果表明 ,少量Cu的加入能降低Sn Bi Ag系无铅钎料合金的熔化温度 ,而Sb的加入使合金的熔化温度升高。利用光学显微镜 (OM )、扫描电子显微镜 (SEM )、能谱分析 (EDX)对合金的微观组织进行了分析与比较 ,钎料合金的微观组织与冷却条件和合金元素的含量有关 ,Sb的加入使析出相的尺寸细化。硬度测定表明Sn Bi Ag(Cu ,Sb)无铅钎料合金的硬度远大于纯Sn的硬度 ,加入少量的Cu(0 .5 % ) ,Sb(2 .5 % )对Sn Bi Ag系钎料合金的硬度影响较小     

The effect of reflow process variables on the wettability of lead-free solders

A quantitative dynamic solder wettability measurement was utilized to evaluate the effects of reflow processing on the wettability parameters associated with the lead-free solders 96.5Sn-3.5Ag and 58Bi-42Sn. Solder wettability was determined with respect to the final degree of spread and the extent of solder wetting onto the terminal areas of surface-mount components. The solder alloy composition of 96.5Sn-3.5Ag exhibited better wetting characteristics than the 58Bi-42Sn alloy. This wetting behavior was enhanced under the reflow conditions of a nitrogen atmosphere and the use of a gold metallization. The wetting of the conventional 63Sn-37Pb solder alloy was improved over the comparatively processed 58Bi-42Sn alloy. However, the 63Sn-37Pb solder alloy displayed a greater sensitivity to reflow atmosphere than the 96.5Sn-3.5Ag alloy, which generally exhibited better wetting characteristics than the Sn-Pb alloy.     

Pb-free solders for flip-chip interconnects

A variety of lead-free solder alloys were studied for use as flip-chip interconnects including Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-3.8Ag-0.7Cu, and eutectic Sn-37Pb as a baseline. The reaction behavior and reliability of these solders were determined in a flip-chip configuration using a variety of under-bump metallurgies (TiW/Cu, electrolytic nickel, and electroless Ni-P/Au). The solder micro-structure and intermetallic reaction products and kinetics were determined. The Sn-0.7Cu solder has a large grain structure and the Sn-3.5Ag and Sn-3.8Ag-0.7Cu have a fine lamellar two-phase structure of tin and Ag₃Sn. The intermetallic compounds were similar for all the lead-free alloys. On Ni, Ni₃Sn₄ formed and on copper, Cu₆Sn₅Cu₃Sn formed. During reflow, the intermetallic growth rate was faster for the lead-free alloys, compared to eutectic tin-lead. In solidstate aging, however, the interfacial intermetallic compounds grew faster with the tinlead solder than for the lead-free alloys. The reliability tests performed included shear strength and thermomechanical fatigue. The lower strength Sn-0.7Cu alloy also had the best thermomechanical fatigue behavior. Failures occurred near the solder/intermetallic interface for all the alloys except Sn-0.7Cu, which deformed by grain sliding and failed in the center of the joint. Based on this study, the optimal solder alloy for flip-chip applications is identified as eutectic Sn-0.7Cu. Editor’s Note: A hypertext-enhanced version of this article can be found at www.tms.org/pubs/journals/JOM/0106/Frear-0106.html For more information, contact D.R. Frear, Interconnect Systems Laboratories, Motorola, Tempe, AZ 85284; (480) 413-6655; fax (480) 413-4511; e-mail darrel.frear@motorola.com.     

The mechanical behavior of interconnect materials for electronic packaging

A variety of new materials are needed for solder interconnects in electronic packages for high- and low-temperature applications. This article compares the mechanical behavior of low-temperature materials (Sn-40In-20Pb, Sn-58Bi, and a silver-loaded conductive adhesive) and high-melting-temperature solders (Sn-3.5Ag, Sn-3.4Ag-4.8Bi, and Sn-4.7 Ag-1.7Cu) to near-eutectic Sn-40Pb solder. The results indicate that there are promising materials alternatives to the traditional Sn-Pb solders in electronic interconnect applications.     

Ag-Cu-Sn-In中温焊膏的性能与初步应用试验

采用氮气雾化法将Ag-22.4Cu-15Sn-5In焊料制成粉体,利用丙烯酸酯类化合物为载体将其调配成膏状焊料。应用试验表明,所配制的新型焊膏易于涂布,焊接性能良好,焊后残渣少,无需再清洗。该新型焊膏能进行可伐与钨铜、可伐与陶瓷等材料的焊接,有着广阔的应用前景。钎焊界面分析发现,钎料主要是由富Ag相,少量Cu7In4相、Cu39Sn11相以及Cu3Sn相组成。在钎焊过程中,镍基板上的镍与钎料中的元素铜存在元素扩散,这对改善钎料与基体之间的结合状况是有益的。     

Sn-0.3Ag-0.7Cu-xNd钎料显微组织及性能

研究了稀土元素Nd的添加量对超低银无铅钎料Sn-0.3Ag-0.7Cu的润湿性能、显微组织和力学性能的影响.结果表明,微量Nd元素的加入可以显著改善Sn-0.3Ag-0.7Cu超低银无铅钎料的润湿性能和焊点的力学性能,并且能够起到细化基体组织的作用.当钎料中Nd元素的质量分数达到0.1%时,钎料的综合性能最佳,基体组织最为均匀细化.虽然Ag元素含量的降低使钎料的性能有所下降,但是加入适量Nd元素后钎料的润湿性能已接近传统Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料.     

N2对Sn-Ag-Cu钎料与元器件引线无铅镀层润湿性的影响

以Sn-3．5Ag-0．5Cu钎料主要研究对象，配合免清洗助焊剂，基于润湿平衡原理测量了钎料对Sn、Sn—Cu、Sn—Bi三种镀层的润湿特性，研究了五种温度、三种镀层、两种气氛条件对润湿行为的影响。结果表明，空气气氛下，温度较低时Sn-Bi镀层的润湿性能相对较好，温度较高时三种镀层的润湿性相当；采用氮气保护后可明显改善钎料润湿性，润湿时间缩短22％-40％，同一温度下的三种镀层的润湿性能相当。