微量元素的添加對(duì)無(wú)鉛焊料與常用基板間界面反應(yīng)的影響.pdf

1、微電子封裝系統(tǒng)中，起到熱、電和機(jī)械連接作用的無(wú)鉛焊料合金與基板的界面反應(yīng)直接影響焊點(diǎn)可靠性。本文以極具應(yīng)用前景的Sn-Zn系和Sn-Ag系無(wú)鉛焊料合金為研究對(duì)象，通過(guò)添加微量第三元素和異相納米顆粒，結(jié)合微觀組織分析，系統(tǒng)研究了不同第三組元的添加對(duì)二元無(wú)鉛焊料合金與基板間界面反應(yīng)的影響。同時(shí)采用高溫時(shí)效處理模擬焊點(diǎn)的高溫服役過(guò)程，揭示其組織中各相的演化規(guī)律、界面擴(kuò)散行為以及金屬間化合物層的生長(zhǎng)機(jī)制。上述研究包括的主要內(nèi)容和獲得的結(jié)論是：<

2、br>　　 通過(guò)將Sn-9Zn、Sn-8Zn-1Bi和 Sn-8Zn-3Bi焊料合金在Cu板上回流焊接，系統(tǒng)研究了Bi組元的添加對(duì)Sn-Zn-xBi/Cu焊點(diǎn)界面形貌的影響。結(jié)果表明：隨Sn-9Zn焊料合金中Bi含量的增加，減少了焊料合金與Cu板間線膨脹系數(shù)差值，降低了界面處裂紋形成傾向。并且Bi組元的添加降低了Sn-Zn焊料合金的熔點(diǎn)，因此，在相同的回流過(guò)程中熔點(diǎn)越低焊料合金處于液態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致其金屬間化合物層厚度增加及晶粒粗化

3、。此外，Bi在金屬間化合物表面的局部偏聚，部分地阻擋了金屬間化合物向熔體焊料的溶解，導(dǎo)致Sn-8Zn-3Bi焊料合金界面金屬間化合物層呈現(xiàn)鋸齒狀形貌。
　　 研究了高溫時(shí)效下Sn-3.5Ag-x(x=0，0.75Ni，1.0Zn和1.5In)/Cu界面金屬間化合物的微觀組織演變及其生長(zhǎng)規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高溫時(shí)效8分鐘前Ni3Sn4/Cu6Sn5金屬間化合物層在Sn-3.5Ag-0.75Ni/Cu界面處形成，當(dāng)時(shí)效時(shí)間超過(guò)24分鐘后

4、，金屬間化合物層轉(zhuǎn)變?yōu)椋–u，Ni)6Sn5相，生長(zhǎng)速度減緩。Cu6Sn5/Cu5Zn8金屬間化合物層在Sn-3.5Ag-1.0Zn/Cu界面形成，而且其生長(zhǎng)速度近似于Sn-3.5Ag/Cu界面金屬間化合物層的生長(zhǎng)速度。長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效后金屬化合物層轉(zhuǎn)變?yōu)镃u-Zn-Sn相，生長(zhǎng)速度開(kāi)始加快。Sn-3.5Ag焊料合金中添加In組元后界面處形成了Cu6(Sn，In微量)5金屬間化合物顆粒，加快了其生長(zhǎng)速度直到In被界面反應(yīng)消耗殆盡。
　　

5、 研究了時(shí)效過(guò)程中Sn-3.5Ag-1.5In 焊料合金與Au/Ni/Cu焊盤間的界面反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)時(shí)效過(guò)程中Sn-3.5Ag/Au/Ni/Cu 界面金屬間化合物由(Ni，Au)Sn4相演化為Ni3Sn4相，但生長(zhǎng)速度沒(méi)有明顯變化。高溫時(shí)效初始階段(Ni，Au)Sn4和Ni3Sn4相在Sn-3.5Ag-1.5In/Au/Ni/Cu界面形成。當(dāng)In組元參與到界面反應(yīng)后，促進(jìn)了Sn原子的擴(kuò)散，加快了 Ni3(Sn,In)4相的生長(zhǎng)速度，但長(zhǎng)時(shí)

6、間時(shí)效時(shí)，其影響作用逐漸減小。
　　 通過(guò)制備Sn-8Zn-1Bi-x納米Ag和Sn-8Zn-1Bi-xMWCNTs復(fù)合焊膏，并將其置于Cu板上回流焊接，探討了納米Ag顆粒和MWCNT的添加對(duì)Sn-Zn-Bi焊料合金及界面金屬間化合物層生長(zhǎng)過(guò)程的影響。結(jié)果表明：在Sn-Zn-Bi焊料合金中添加納米Ag顆粒后，在富Zn相的晶粒周圍形成AgZn3金屬間化合物顆粒，因此阻擋了水蒸氣和氧氣的擴(kuò)散路徑，抑制了ZnO在晶粒邊界的形成；而部分