低银系无铅焊料合金界面结构研究

电子锡焊料合金的焊接界面的金属间化合物具有硬而脆的特性,在应力影响下易产生裂纹,进而引发断裂失效.研究界面金属间化合物层的结构、形貌和服役条件下的变化,对提高焊料合金的可靠性具有重要意义.采用实验和数值计算的方法,研究Sn0.1 Ag0.7 Cu、Sn0.3 Ag0.7 Cu、Sn0.5 Ag0.7 Cu、Sn0.8 Ag0.7 Cu、Sn1.0 Ag0.7 Cu焊料合金的金属间化合物结构和形貌,并进行了室温和高温高湿条件下的老化试验,研究界面形貌,厚度变化.研究表明:焊接完成后的界面形貌不平滑,部分金属间化合物异常长大,经过高温高湿试验后,焊接界面变得比较均匀、平滑;随着Ag含量的升高,界面的生长活化能呈先升高后降低,当Ag含量为0.3％时,具有最大的活化能78.9 kJ/mol,界面金属间化合物较为稳定,服役可靠性较高.     

微电子封装中焊锡接点的界面应力奇异性

采用界面力学理论计算了不同形状的含铅/无铅焊锡接点界面应力奇异性指数,建立了焊锡接点的有限元模型,计算了线弹性、弹塑性和Johnson-cook材料模型的界面应力分布.结果表明:随着焊锡接点接触角的增加,界面应力奇异性增强;Sn37Pb/Cu界面比Sn3.5Ag/Cu和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面的应力奇异性明显;弹塑性变形和应变率效应降低界面应力.     

无铅焊锡材料的动态力学性能

利用分离式霍普金森拉压杆技术分别对63Sn37Pb、96.5Sn3.5Ag以及96.5Sn3.0Ag0.5Cu在600、1200以及2200 s-1应变率下的拉伸和压缩动态力学性能进行了测量,得到了不同应变率下的应力应变曲线.结果表明:3种材料均具有明显的应变率效应,其中,96.5Sn3.5Ag对应变率较为敏感;在相同应变率下96.5Sn3.0Ag0.5Cu呈现出最大的屈服应力和抗拉强度.给出了2种无铅焊料抗拉强度、失效点应变与应变率之间的拟合关系.     

液态锡焊料常见元素氧化的热力学分析

计算了液态锡焊料中常见元素氧化物生成的标准吉布斯函数随温度的变化关系,绘制了相关氧化反应的ΔGTθ-T图.研究表明,在液态Sn-Pb焊料和Sn-Ag-Cu,Sn-Cu无铅焊料的氧化过程中,对Sn的氧化而言,其表层分子会生成SnO2,在表层分子以下则可能生成SnO;对于Pb的氧化而言,主要生成PbO;而Ag、Cu的氧化物主要是Cu2O和Ag2O.液态锡焊料中所涉及的元素与氧化合的能力依次为:Al>Ga>Zn>ln>Ge>Sn>Fe>Sb>As>Pb>Bi>Cu>Ag.指出,当大量加入与氧化合能力较Sn强的元素作为焊料合金组分时,将会降低其在液态下的抗氧化能力;反之,则可使它的抗氧化性能得到改善.     

尺寸效应下的无铅微焊点研究进展

为了研究无铅微焊点在尺寸效应下的可靠性,综述了微焊点的界面反应机制,常用添加元素对微连接金属间化合物(IMC)的作用及微焊点在尺寸效应下的主要问题.分析表明,IMC层主要由两种铜锡化合物Cu6 Sn5和Cu3 Sn组成.微焊点的连接形式有焊盘小尺寸微焊点和微通孔焊盘无铅微焊点两种,柯肯达尔(Kirkendall)孔洞、电迁移及焊料尺寸都会对接头的力学性能、拉伸强度和剪切强度造成较大的影响.同时,压力钎焊等新工艺可以促进焊料中元素的扩散,从而对抑制接头组织中脆性相和提高钎焊接头强度有显著效果.     

不同Cu/Sn比与IMC-Cu复合微焊点形成速度的相关性

为了研究不同Cu/Sn比对复合微焊点IMC-Cu界面生长行为的影响,采用瞬态液相连接技术与热压焊相结合的方法,以泡沫铜、纯Sn和Cu基板为原料,制备IMC-Cu复合微焊点研究不同Cu/Sn比对复合微焊点IMC生长行为影响.结果表明:Cu/Sn比对复合焊点中IMC生长行为影响显著.随着焊点中Sn含量的减少,IMC的生长速度增加.降低复合微焊点中Sn含量有利于反应界面处Cu3 Sn的生长;获得全Cu3 Sn-Cu复合微焊点的时间随焊点中Sn含量降低而减少.在相同焊接条件下,Sn质量分数为20％的微焊点在焊接25 min时率先生成全Cu3 Sn接头,较Sn质量分数为40％时焊接时间缩短了20％.当ω(Sn)在20％ ～40％范围内,随焊点中Sn含量减少,Cu3 Sn的生长速度增加,获得全Cu3 Sn-Cu复合微焊点的时间缩短.     

电场作用下CSP的失效行为

主要研究95.5Sn3.8Ag0.7Cu焊球电迁移过程和焊点的失效行为,发现焊点的电迁移过程主要分为3个阶段:微孔洞的孕育与形成、孔洞的聚集和快速失效阶段。Cu6Sn5生长速率随着环境温度的升高而增大,Cu3Sn在UBM和Cu6Sn5的界面处也随着Cu6Sn5的长大而生成并生长,PCB侧的Cu焊盘在电子风的作用下溶解。焊点的失效模式主要为焊盘的溶解、焊球两个界面的裂纹生长断裂和焊球的熔化。     

铝/镀锌钢焊接接头金属间化合物热力学分析

针对Al/镀Zn钢板Pulsed DE-GMAW焊接接头界面区金属间化合物相的确定性研究,在热力学基本定律的基础上,建立铝/镀锌钢板异种金属焊接接头界面Fe-Al-Zn相形成的吉布斯自由能变化的计算模型,得到Al/镀Zn钢板异种金属焊接接头Fe_2Al_5Zn_(0.4)金属间化合物相形成的标准吉布斯自由能与温度的变化关系,分析界面Fe_2Al_5Zn_(0.4)金属间化合物存在的可能性,并与焊接试验结果进行对比分析。模拟结果表明:所建立的热力学模型是合理的,在界面上形成Fe_2Al_5Zn_(0.4)金属间化合物,与试验结果基本一致,并推论了Fe_2Al_5Zn_(0.4)是在Fe_2Al_5与FeAl_3形成后,由于Zn扩散进入Fe_2Al_5的晶体空位所得到的。     

旋转磁场对无铅钎料组织及显微硬度的影响

为改善无铅钎料组织性能,研究了在0.125T、1250r/min的情况下旋转磁场对Sn3.0Ag0.5Cu、Sn-9Zn钎料组织和显微硬度的影响.结果表明：旋转磁场作用对Sn3.0Ag0.5Cu、Sn-9Zn钎料的物相构成没有影响,但可使钎料构成相的尺寸、形状及分布发生明显变化,其中部分Ag3Sn相发生弯曲,富Zn相变为细小且分布呈一定的旋转状.与未经旋转磁场作用相比,磁场作用后Sn3.0Ag0.5Cu、Sn-9Zn和Sn-9Zn钎料的显微硬度分别提高15.6%和10.2%,达到HV 24.5和HV 19.3.旋转磁场与感应电流间的Lorentz力具有驱动熔体随电磁场运动的趋势,将影响钎料组织凝固及其显微硬度.     

金属间化合物对Sn-Ag-Cu无铅钎料钎焊接头性能的影响

采用扫描电镜、能谱分析、透射电镜、X射线衍射和电子衍射等分析手段,研究了Cu含量对Sn-Ag-Cu/Cu钎焊接头界面处生成的金属间化合物Cu6Sn5的生长形态对接头剪切强度的影响。结果表明:在Sn-Ag-Cu钎焊接头的界面处有扇贝状的Cu6Sn5金属间化合物的生成,调整Cu含量,可改变Cu6Sn5的形状和避免大柱状的Cu6Sn5生成,提高接头剪切强度,钎焊接头的断裂主要是韧性断裂。时效试验结果表明:当时效温度为室温、时间为1000 h时,Cu含量高的Sn-Ag-Cu钎料所生成Cu6Sn5的形态变化为长的空心截面六边形柱体,由于Cu6Sn5所形成的空心孔洞导致Sn-Ag-Cu/Cu界面成为强度弱区,从而使接头的剪切强度有所下降。     

Effect of adding Ce on interfacial reactions between Sn-3.0Ag-0.5Cu solder and Cu substrate

The formation and the growth of Cu-Sn intermetallic compound （IMC） layer at the interface between Sn-3.0Ag-0.5Cu-xCe solder and Cu substrate during soldering and aging were studied. The results show that Cu6Sn5 IMC is observed at the interface between solder and Cu substrate in all conditions. After aging for 120 h,the Cu3Sn IMC is then obtained. With increasing aging time,the scalloped Cu6Sn5 structure changes to a plate structure. The Cu3Sn film always forms with a relatively planar interface. By adding a small amount of the rare earth element Ce （only 0.1%,mass fraction） into the Sn-3.0Ag-0.5Cu solder alloy,the growth rate of the Cu-Sn IMC at the interface of solder alloy system is decreased. When the time exponent is approximately 0.5,the growth of the IMC layer is mainly controlled by a diffusion over the studied time range.     

Sn-Ag-xCu-Bi-Ni/Cu焊点界面IMC演变

为了研究低银无铅焊点界面金属间化合物(IMC)的形成与演变,以低银无铅焊点Sn-Ag-xCu-Bi-Ni/Cu为研究对象,研究了钎料中Cu质量分数对界面IMC厚度、形貌和成分的影响.实验结果表明,随着钎料中Cu质量分数的增加,回流焊后焊点IMC层厚度变薄,IMC晶粒尺寸增大,IMC晶粒形貌由颗粒状转变为棱柱状以及鹅卵石状,同时界面IMC成分发生由(Cu,Ni)6Sn5向Cu6Sn5的转变.高温时效后,界面IMC层厚度增长.当钎料中Cu质量分数超过1%时,时效后生成较厚的Cu3Sn化合物层,对焊点可靠性不利.钎料中Cu质量分数应控制在1%以下.     

铅对Sn3.5Ag0.5Cu合金钎料性能的影响

利用显微硬度计、差热分析仪等仪器设备,研究了铅对Sn3.5Ag0.5Cu钎料合金性能的影响。实验结 果表明,铅对Sn3.5Ag0.5Cu钎料合金性能有较大的影响,添加铅后,Sn3.5Ag0.5Cu钎料合金熔化温度下降了8%; 钎料合金的润湿性得到改善;当w (Pb)达到0.5%时,Sn3.5Ag0.5Cu钎料合金显微硬度显微硬度值最大,达到21.5 HV之后快速下降。     

合金元素对Sn-Bi-Sb-Ag-Cu-Re系无铅钎料性能和组织的影响

研究了合金元素Bi、Sb、Ag、Cu、Re对锡基无铅多元钎料性能和组织的影响.研究结果表明，增加Bi、Ag、Cu含量可以降低液相线温度，Sb可以提高液相线温度；Bi、Cu有提高润湿性能的作用，Sb、Ag、Re在低含量范围内可提高润湿性能；Cu有提高剪切强度的作用，Bi明显使剪切强度降低.钎料的相组成是由在β Sn的基体上分布着金属间化合物Ag3Sn、SnBi和Cu6Sn5构成的，Sb和Re则基本上是固溶在基体中.     

时效处理对CuCrSnZn/SnAgCu钎料接头界面及剪切性能影响

为了探讨引线框架铜合金与无铅钎料钎焊接头界面性能,采用扫描电镜及万能材料实验机,分析了引线框架用CuCrSnZn合金与SnAgCu系无铅钎料钎焊接头,在160℃时效不同时间的过程中界面形貌及接头剪切性能的演变过程.结果表明,时效前,钎焊接头界面处形成了一层长针状的Cu6Sn5;不同时间时效处理后,接头界面IMC层厚度有不同程度的增加,Cu6Sn5变长变粗,逐渐离开界面进入钎料内部,靠近铜合金片材基体的一侧会出现极薄的一层Cu3Sn层.无铅钎料钎焊接头时效25h剪切强度可到27.3 MPa,其后逐渐降低.未时效、时效25 h和50 h断裂发生在钎料基体内部,时效至300 h,断裂位置向界面金属间化合物处转移,剪切断口断裂形式逐渐由韧性断裂向脆性断裂转变.     

考虑损伤效应的无铅焊锡材料的率相关本构模型

考虑冲击过程中无铅焊锡材料试件中的损伤影响,根据实验数据确定了损伤演化参数,对原模型进行了修正,给出了Sn3.0Ag0.5Cu和Sn3.5Ag两种无铅焊锡材料考虑损伤效应的率相关本构模型.结果表明,修正后的模型与实验结果吻合较好.     

Effect of Ag and Ni on the melting point and solderability of SnSbCu solder alloys

To improve the properties of Sn10Sb8Cu solder alloy, two new solders(SnSbCuAg and SnSbCuNi)were formed by adding small amounts of Ag or Ni into the solder alloy. The results show that the melting point of the SnSbCuAg solder alloy decreases by 14.1℃ and the spreading area increases by 16.5% compared to the matrix solder.The melting point of the SnSbCuNi solder alloy decreases by 5.4℃ and the spreading area is slightly less than that of the matrix solder. Microstructure analysis shows that adding trace Ag makes the melting point decline due to the dispersed distribution of SnAg phase with low melting point. Adding trace Ni,Cu_6Sn_5 and (Cu,Ni)_6Sn_5 with polyhedron shape on the copper substrate can be easily seen in the SnSbCuNi solder alloy,which makes the viscosity of the melting solder increase and the spreading property of the solder decline.     

Preliminary Investigation of Copper Joints Soldered with Sn58Bi

In recent years, intensive studies have been carried out to find an alternative for Tin (Sn)-Lead (Pb) solder alloys with increasing demand over lower temperature solder alloys in current electronic packaging industry. High temperature operational solder alloys seem to produce drawback to other components on the printed circuit board (PCB). Low melting temperature Sn58Bi substrate as a potential replacement was investigated in this paper based on the melting properties, wettability, and shear strength. The Sn58Bi was soldered at a temperature below 200 ℃ on the Cu substrate, and the shear strength and contact angle were calculated. A peak temperature (melting temperature, TM) of 144.83 ℃ was identified. Single lap joint method was performed at a strain rate of 0.1 mm/min and an average shear strength of 23.4 MPa was found from three samples. The contact angle (wettability) was calculated to study the solder joint behaviour at reflow temperature of 170 ℃. The contact angle of the Sn58Bi was found to be 32.4 ° and considered to be desired value since the angle is less than 50 °. The low temperature soldering provides a preliminary result to allow further application on the real PCB.