稀土Pr和Nd對(duì)SnAgCu無鉛釬料組織與性能影響研究.pdf_第1頁(yè)
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1、隨著電子封裝技術(shù)的發(fā)展以及無鉛化進(jìn)程的推進(jìn),無鉛釬料的研究已經(jīng)成為電子封裝領(lǐng)域的重要課題之一。SnAgCu系釬料合金由于其較優(yōu)的綜合性能,被認(rèn)為是電子行業(yè)中最具潛力替代SnPb釬料的無鉛釬料之一,但其潤(rùn)濕性能、凝固特性以及服役過程中的組織穩(wěn)定性等仍存在一些不足,SnAgCu釬料的高Sn含量、較高釬焊溫度使得其焊點(diǎn)內(nèi)部金屬間化合物的生長(zhǎng)相比SnPb釬料要復(fù)雜得多。微量元素合金化是獲得高性能無鉛釬料的有效途徑之一,本論文通過添加微量的稀土P

2、r和Nd元素來改善Sn3.8Ag0.7Cu無鉛釬料的不足之處,系統(tǒng)地研究了不同含量(0~0.5wt.%)Pr和Nd的添加對(duì)SnAgCu釬料性能以及組織的影響,并對(duì)Pr和Nd元素的作用機(jī)制進(jìn)行了探討。
   采用潤(rùn)濕平衡法研究了不同含量Pr和Nd的添加對(duì)SnAgCu釬料潤(rùn)濕性能的影響。研究結(jié)果表明,適量稀土元素Pr和Nd的添加可以明顯改善SnAgCu釬料的潤(rùn)濕性能,當(dāng)稀土元素Pr和Nd的添加量分別為0.05wt.%時(shí),釬料具有最佳

3、的潤(rùn)濕性能,250℃試驗(yàn)條件下,SnAgCu-0.05Pr以及SnAgCu-0.05Nd釬料相比SnAgCu釬料潤(rùn)濕力分別提高了6.7%以及5.5%,潤(rùn)濕時(shí)間分別降低了14.5%以及10.0%。由于Pr和Nd為表面活性元素,適量添加可以降低液態(tài)釬料表面張力,改善釬料的潤(rùn)濕性能;但添加過量則會(huì)由于稀土元素的氧化惡化釬料的潤(rùn)濕性能。
   研究了SnAgCu-xRE(x=0,0.05,0.50wt.%)釬料的熔化溫度以及凝固所需過冷

4、度,微量Pr和Nd的添加對(duì)SnAgCu釬料的熔化溫度沒有明顯的影響,但可以顯著降低SnAgCu釬料的凝固過冷度,SnAgCu、SnAgCu-0.05Pr以及SnAgCu-0.5Pr釬料的凝固過冷度分別為20.6℃、5.0℃以及5.5℃,因而可以降低SnAgCu焊點(diǎn)中初晶Ag3Sn的形成幾率。凝固過程中,Pr和Nd可以優(yōu)先與Sn反應(yīng),以Sn-RE化合物形式優(yōu)先析出,為釬料的凝固提供形核質(zhì)點(diǎn),促進(jìn)釬料的凝固。當(dāng)稀土元素Pr和Nd的含量在0.

5、05wt.%左右時(shí),SnAgCu釬料基體組織得到最大程度的優(yōu)化,當(dāng)含量超過0.1wt.%時(shí),釬料中會(huì)出現(xiàn)少量的稀土相RESn3相。
   采用納米壓痕試驗(yàn)方法對(duì)SnAgCu-xRE(x=0,0.05,0.50wt.%)釬料室溫條件下的蠕變應(yīng)力指數(shù)n進(jìn)行了研究。SnAgCu、SnAgCu-0.05Pr、SnAgCu-0.5Pr、SnAgCu-0.05Nd以及SnAgCu-0.5Nd的蠕變應(yīng)力指數(shù)值n分別為8.79、10.19、9.

6、26、10.97以及9.84,Pr和Nd的添加使得SnAgCu釬料的蠕變應(yīng)力指數(shù)n值明顯增加,表明Pr和Nd的添加可以顯著增強(qiáng)SnAgCu釬料的抗蠕變能力,SnAgCu釬料抗蠕變能力的增強(qiáng)主要依賴于Ag3Sn粒子強(qiáng)化作用。
   研究發(fā)現(xiàn),Pr或Nd的添加可以顯著提高SnAgCu微焊點(diǎn)再流焊以及時(shí)效過程中力學(xué)性能,再流焊條件下,SnAgCu-0.05Pr以及SnAgCu-0.05Nd微焊點(diǎn)剪切力相比SnAgCu分別增加了19.4

7、%以及23.6%;隨著時(shí)效的進(jìn)行,微焊點(diǎn)力學(xué)性能下降,但SnAgCu-0.05RE微焊點(diǎn)始終具有最高的力學(xué)性能,時(shí)效1440h后,SnAgCu-0.05Pr以及SnAgCu-0.05Nd微焊點(diǎn)力學(xué)性能相比SnAgCu焊點(diǎn)分別提高了37.3%以及46.0%。Pr和Nd的添加明顯降低了SnAgCu/Cu焊點(diǎn)時(shí)效過程中界面化合物總厚度生長(zhǎng)速率,有利于焊點(diǎn)力學(xué)性能的保持,但對(duì)焊點(diǎn)Cu3Sn界面層的生長(zhǎng)沒有明顯的影響。部分稀土相在界面層Cu6Sn

8、5表面形核并長(zhǎng)大,部分Cu6Sn5/釬料界面由Cu6Sns/RESn3界面所取代,抑制了Cu6Sn5/釬料界面處反應(yīng)6Cu+5Sn→Cu6Sn5的進(jìn)行,因而抑制了Cu6Sn5界面層的生長(zhǎng);當(dāng)Pr和Nd的添加量過多時(shí),裸露于空氣中的稀土相由于氧化呈現(xiàn)脆性特征,稀土元素對(duì)焊點(diǎn)界面層生長(zhǎng)抑制的有利效果被弱化。
   采用深腐蝕方法對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部化合物三維形貌進(jìn)行了研究分析。發(fā)現(xiàn),Pr和Nd的添加可以降低SnAgCu焊點(diǎn)Cu6Sn5界面處初

9、晶Ag3Sn的形成幾率,初晶Ag3Sn具有較大的尺寸,對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能整體性會(huì)產(chǎn)生不利的影響。時(shí)效條件下,界面層Cu6Sn5晶粒存在橫向粗化以及縱向延長(zhǎng)生長(zhǎng)兩種生長(zhǎng)行為;初晶Ag3Sn化合物的形貌以及尺寸均發(fā)生了退化現(xiàn)象,焊點(diǎn)內(nèi)部形成的納米Ag3Sn粒子易于在初晶Ag3Sn表面吸附。Ag3Sn顆粒的存在對(duì)Cu6Sn5界面層向焊點(diǎn)內(nèi)部遷移生長(zhǎng)起到釘扎的效果,從而降低了Cu6Sn5界面層的遷移速率,Pr和Nd的添加可以使得SnAgCu焊點(diǎn)內(nèi)部

10、Ag3Sn顆粒的體積分?jǐn)?shù)增加,因而可以降低焊點(diǎn)界面層的遷移速率。
   SnAgCu釬料中過量Pr和Nd的添加會(huì)引發(fā)稀土相表面Sn須的生長(zhǎng),SnAgCu-0.1RE合金置于室溫條件下時(shí)效6個(gè)月后,稀土相表面未見有可見尺寸Sn須的生長(zhǎng)現(xiàn)象;SnAgCu-0.5RE以及Sn-RE合金室溫時(shí)效24h后,表面就會(huì)出現(xiàn)明顯的Sn須生長(zhǎng)現(xiàn)象。稀土相表面Sn須的生長(zhǎng)主要是由于裸露于空氣中的稀土相氧化所導(dǎo)致,氧化過程過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及釋放的

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