Ti90及其优化合金的组织与力学性能研究

研究了钎焊与时效过程中,在Sn0.7Ag0.5Cu(SAC0705)钎料与Cu基板和石墨烯Cu基板界面处金属间化合物(IMC)的形成与演变。采用加热平台制备焊接试样并在120℃时效600h。结果表明,界面金属间化合物在时效过程中增厚。SAC0705/Cu和SAC0705/G-Cu 2种焊接界面金属间化合物均为Cu6Sn5。当钎料中添加Ni元素后,Cu6Sn5化合物转变为(Cu,Ni)6Sn5。随着钎料中Ni元素含量的增大,2种基板上的界面金属间化合物厚度先增加后减小。此外,随着Ni含量增大,化合物生长速率降低。石墨烯Cu基板表面的石墨烯层起到扩散阻挡层效果,因此,石墨烯Cu板上的化合物厚度小于常规Cu基板,同时其界面化合物生长速率较低。     

La对Sn-Ag-Cu无铅钎料与铜钎焊接头金属间化合物的影响

研究微量稀土La在钎焊和时效过程中对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料与铜基板的钎焊界面及钎料内部金属间化合物(IMC)的形成与生长行为的影响.结果表明:钎焊后钎焊界面形成连续的扇形Cu6Sn5化合物层,其厚度随La含量的增加而减小;在150℃时效100h后,连续的Cu3Sn化合物层在Cu6Sn5化合物层和铜基板之间析出,且Cu6Sn5层里嵌有Ag3Sn颗粒;界面金属间化合物总厚度随时效时间的延长而增厚,且在相同时效条件下随La含量的增加而减小;时效过程中金属间化合物生长动力学的时间系数(n)随着La含量的增加逐渐增大;钎焊后钎料内部Ag仍以共晶形式存在,时效后Ag3Sn颗粒沿钎料内部的共晶组织网络析出.     

Sn-5Sb-CuNiAg/Ni微焊点抗时效性能的研究

以适合功率器件互联的Sn-5Sb基钎料与Cu镀Ni基板连接为研究对象,研究Sn-5Sb钎料中添加Cu,Ni,Ag元素对接头的抗时效性能的影响。将三种Sn-5Sb-CuNiAg钎料、Sn-5Sb,SAC305分别与Cu镀Ni基板连接,借助SEM和EDX,进行微观组织对比分析,研究体钎料在时效过程中的基体组织及化合物的演变规律,界面化合物的生长随时效时间的演变规律。结果表明,Sn-5Sb-CuNiAg和SAC305体钎料中主要为块状化合物(Cu,Ni)_6Sn_5和颗粒状银锡化合物,Sn-5Sb体钎料主要为块状化合物(Cu,Ni)_6Sn_5。随时效时间延长,体钎料中的化合物均变得粗大。界面化合物层明显变厚,化合物形貌从不规则的锯齿状逐渐向平缓均匀的层状转变。Sn-5Sb-CuNiAg焊点的界面化合物层厚度比Sn-5Sb、SAC305焊点的界面化合物层厚度相对要薄,Sn-5Sb-CuNiAg焊点具有更好的抗热时效性能。添加0. 5%质量分数的Cu和0. 1%质量分数的Ni元素对界面IMC的生长速率有抑制作用。     

Ni和Bi元素对SnAgCu钎焊界面金属化合物生长速率的影响

通过加速温度时效方法研究Ni和Bi元素对低银(含银量小于1%,质量分数)Sn-Ag-Cu(LASAC)钎料界面IMC生长速率的影响。通过与高银钎料SAC305和低银钎料LASAC对比,分析添加Ni和Bi元素后LASAC钎料在高温时效过程中热疲劳抗性的变化情况。结果表明:LASAC/Cu、LASAC-Bi/Cu和SAC305/Cu界面IMC时效后均形成较厚的Cu3Sn层,LASAC-Ni/Cu界面经IMC时效后则形成较薄的(Cu,Ni)3Sn;高银钎料SAC305在180℃时效下IMC生长速率为2.17×10-5μm2/s,与之相比,低Ag钎料LASAC IMC在时效过程中生长速率较高,为3.8×10-5μm2/s;Ni和Bi元素的添加均可降低钎料LASAC/Cu界面IMC的生长速率,其中Bi的改善效果最显著,LASAC-Bi钎料的IMC生长速率为1.92×10-5μm2/s,低于SAC305钎料的IMC生长速率。     

倒装LED回流焊接头组织的抗高温时效性能

以SAC305锡膏为钎料,通过回流焊实现了倒装LED与Cu/Ag、Cu/Ni/Au基板的互连.研究了两种接头界面微观组织在高温时效条件下的演变行为.结果表明,接头两侧界面组织间存在相互影响. Cu/Ni/Au基板中的Au在回流焊过程中溶解至体钎料内,对芯片侧Au-Sn金属间化合物的生长起到抑制效果.芯片侧Au-Sn金属间化合物的快速生长降低了体钎料中Sn的相对浓度,从而使体钎料中有利于基板侧IMC生长组元的相对浓度得到提升,促进基板侧IMC生长.相比较而言,在Cu/Ag基板上的回流焊试样抗高温时效性能较差.     

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     

铜含量对Sn-Cu钎料与Cu、Ni基板钎焊界面IMC的影响

研究了不同铜含量的Sn-xCu钎料(x=0,0.1%,0.3%,0.7%,0.9%,1.5%)与Cu板和Ni板在260、280和290℃钎焊后界面金属间化合物(IMC)的成分和形貌。研究结果表明:钎料与Cu板钎焊时,钎焊温度越高,界面处形成的Cu6Sn5IMC厚度越大,而在同一钎焊温度下,随着钎料中铜含量的增加,IMC的厚度先减少后增加;与Ni板钎焊时,界面IMC的厚度随着铜含量的增加而增加,同时界面化合物的成分和形貌均发生了显著变化;当Cu含量小于0.3%(质量分数)时,界面处形成了连续的(CuxNi1-x)3Sn4层;而当Cu含量为0.7%时,界面处同时存在着短棒状(CuxNi1-x)3Sn4和大块状(CuxNi1-x)6Sn5IMC;当铜含量继续增大时(0.9%~1.5%),(CuxNi1-x)3Sn4IMC消失,只发现了棒状(CuxNi1-x)6Sn5IMC。讨论了钎料中Cu含量对与Cu、Ni基板钎焊接头界面化合物生长的影响,并进一步讨论了(CuxNi1-x)6Sn5IMC的形成和长大机理。     

高温时效过程中SnAgCu钎焊接头显微组织的演化规律

研究了215℃时效过程中Sn3.8Ag0.7Cu无铅钎料焊点内部及与Cu基板界面处显微组织的演化规律.结果表明:试样在时效过程中的放置方式对显微组织的变化会产生重要影响.当钎料焊点处于Cu基板的上方时,215℃时效后显微组织的变化与以往170℃时效后显微组织的变化相似,即界面处金属间化合物层的厚度会随着时效时间的延长而逐渐增加.然而,当钎料焊点处于Cu基板的下方时,215℃时效后钎料焊点内部及界面处的显微组织发生了显著的变化,伴随着Cu基板的溶解在钎料焊点表面形成了大量的体积较大的金属间化合物Cu6Sn5.     

倒装芯片组装中微米级互连焊点的界面金属间化合物生长及动力学

利用焊点间距为100 μm,高度约为45 μm,成分为Sn-3.0Ag-0.5Cu (wt％) (SAC305)的倒装硅芯片与BT树脂基板组装互连,分别在150、125和100℃条件下时效至650 h.研究时效过程中界面主要金属间化合物的生长,结合经验功率定律及阿伦斯公式计算基板侧Cu焊盘界面IMC生长的动力学参数,对IMC的生长动力学探讨.结果表明,在互连回流后,双侧焊盘界面主要IMC为(Cu,Ni)6Sn5.在时效前100 h,(Cu,Ni)6Sn5生长速率较快;而在随后的时效过程中,随时效时间的增加生长速率逐渐降低.界面主要金属间化合物(Cu,Ni)6Sn5生长动力学研究结果可知:150、125以及100℃条件下时间参数分别为2.61、2.35和2.18,界面(Cu,Ni)6Sn5的生长激活能为67.89 kJ/mol.     

Ni对SAC0307无铅钎料性能和界面的影响研究

研究了不同Ni元素含量对SAC0307无铅钎料的力学性能、润湿性能和显微组织,并分析了Ni元素对钎焊接头界面金属间化合物形貌、成分和稳定性,总结了Ni元素在钎料中的作用机理。结果表明,微量Ni元素起到细化组织和改善润湿性的作用,当Ni含量大于0.1%时,焊点界面生成了疏松状的IMC层,且IMC层生长较快,适量的Ni元素改变界面IMC的晶体结构,抑制了界面Cu_3 Sn的生长。     

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.     

时效对SnAgCu/SnAgCu-TiO2焊点界面与性能影响

研究了SnAgCu与SnAgCu-TiO2两种无铅钎料与铜基板之间的界面反应,研究其在140℃时效过程中的生长行为及力学性能变化.结果表明,焊后两种钎料对应界面层为Cu6Sn5相,经过140℃时效,界面层厚度随着时效时间的增加而增加.发现金属间化合物层厚度和时效时间的平方根成正比例关系.当时效时间为300 h时,界面层出现Cu3Sn相,发现纳米TiO2颗粒对界面金属间化合物层厚度有明显的抑制作用.同时对焊点力学性能分析,在时效过程中焊点平均拉伸力明显下降,SnAgCu-TiO2焊点的力学性能明显优于SnAgCu焊点.     

Mn、Zn对低银Sn-Ag-Cu无铅钎料接头组织和性能的影响

研究了微量元素Mn和Zn对低银Sn-Ag-Cu无铅钎料钎焊接头组织和性能的影响。结果表明,Mn和Zn可使钎焊界面金属间化合物层(Cu3Sn和Cu6Sn5)变得薄而均匀;其可以增加低银钎料的钎焊接头的拉伸强度和剪切强度,最佳元素添加量为0.2%Zn和0.05%Mn(质量分数);断口形貌显示其接头为塑性断裂破坏。Mn、Zn的添加,使得钎料组织的方向性生长状态弱化,同时,可以抑制Cu6Sn5和Cu3Sn金属间化合物层在高温环境下的时效长大或粗化,表明其对接头的稳定可靠性也具有改善作用。     

SnCu钎料镀层与Cu/Ni镀层钎焊接头的界面反应

观察了不同焊接工艺条件下钎焊接头界面的微观结构，并对钎焊过程中的界面反应进行分析。探讨了钎缝界面处IMC的生长机制，通过对不同钎焊温度和保温时间下的IMC生长规律的分析建立铜锡化合物厚度与温度和时间的关系方程。结果表明：钎焊过程中SnCu钎料合金镀层与可焊性Cu层的界面处生成金属间化合物Cu6Sn5和Cu3Sn；化合物的生长厚度与焊接时间之间满足抛物线关系，表明化合物的生长为扩散反应控制过程，并随焊接时间的延长化合物的生长速率逐渐下降。     

热冲击下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头组织与性能

借助于SEM、EDS、XRD等检测手段对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头进行观察分析,研究了钎焊工艺参数及热冲击条件对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头界面金属间化合物和力学性能的影响。结果表明:添加0.05%(质量分数)Ni能细化Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金的初生β-Sn相和共晶组织;钎焊温度270℃和钎焊时间240 s时,钎焊接头抗剪切强度最大达26.9 MPa,较未添加Ni的钎焊接头提高8.9%;随着热冲击周期的增加,钎焊接头界面金属间化合物层平均厚度增加,界面粗糙度先增大后减小,钎焊接头强度降低;添加0.05%Ni能够抑制接头界面金属间化合物的成长、钎焊接头强度的降低,有利于改善接头可靠性。     

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响

研究了温度为150℃,电流密度为5.0×10³A/cm²的条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响.回流焊后在Sn3.0Ag0.5Cu/Ni和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu的界面上均形成了（Cu,Ni）₆Sn₅型化合物.时效过程中界面化合物随时效时间增加而增厚,时效800 h后两端的化合物并没有发生转变,仍为（Cu,Ni）₆Sn₅型.电流方向对Cu基板的消耗起着决定作用.当电子从基板端流向芯片端时,电流导致基板端Cu焊盘发生局部快速溶解,并导致裂纹在Sn3.0Ag0.5Cu/（Cu,Ni）₆Sn₅界面产生,溶解到钎料中的Cu原子在钎料中沿着电子运动的方向向阳极扩散,并与钎料中的Sn原子发生反应生成大量的Cu₆Sn₅化合物颗粒.当电子从芯片端流向基板端时,芯片端Ni UBM层没有发生明显的溶解,在靠近阳极界面处的钎料中有少量的Cu₆Sn₅化合物颗粒生成,电迁移800 h后焊点仍保持完好.电迁移过程中无论电子的运动方向如何,均促进了阳极界面处（Cu,Ni）₆Sn₅的生长,阳极界面IMC厚度明显大于阴极界面IMC的厚度.与Ni相比,当Cu作为阴极时焊点更容易在电迁移作用下失效.     

Sb元素对Sn-0.7Cu钎料熔点及钎焊界面的影响

应用扫描电镜和差示扫描量热仪研究Sb元素(0.25%,0.5%,0.75%,1.0%)对Sn-0.7Cu钎料熔点及钎焊界面的影响.结果表明,Sb元素的加入使钎料的熔点升高,从226.38℃增加到227.09℃,但含量小于0.75%时熔点的变化不大,当Sb元素的含量达到1.0%时变化较大.当Sb元素的含量达到0.5%时,界面化合物的形貌发生了很大变化,扇贝状金属间化合物层变得均匀平滑,避免了大柱状的Cu6Sn5相的生成,厚度也变小,明显地抑制了金属间化合物的生长,细化了晶粒.当Sb元素的含量大于0.5%时,界面又出现大柱状的Cu6Sn5相,且界面化合物层的厚度增大.Sb元素的加入并未改变界面处金属间化合物的种类.     

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。     

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%.     

等温时效对颗粒增强复合钎料组织性能的影响

等温时效过程中,复合钎料内部颗粒周围金属间化合物层的变化会影响其钎焊接头的力学性能。本研究选用比较有前途的Sn-3.5Ag共晶钎料作为基体,微米级Cu或Ni颗粒作为增强相外加到基体中制成复合钎料。对复合钎料钎焊接头在不同温度(125,150,175℃)下进行时效,研究了等温时效过程中增强颗粒周围金属间化合物的层厚增长系数和生长激活能,以及层厚增长对复合钎料钎焊接头力学性能的影响。结果表明,等温时效下,复合钎料内部Cu颗粒周围金属间化合物层增长速率明显大于Ni颗粒周围金属间化合物层的增长速率,且其层生长激活能低于Ni颗粒周围金属间化合物层。时效过程中,Cu颗粒增强复合钎料钎焊接头的剪切强度下降更快。此外,本研究还利用有限元模拟分析了时效过程中增强颗粒周围的应力分布情况。研究表明,经过时效后,随着颗粒周围金属间化合物的增长,颗粒周围的金属间化合物在受力的情况下会造成一定的应力集中而更易发生开裂。