稀土Pr和Nd對SnAgCu無鉛釬料組織與性能影響研究.pdf

1、隨著電子封裝技術(shù)的發(fā)展以及無鉛化進程的推進，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內(nèi)部金屬間化合物的生長相比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SnAgCu釬料性能以及組織的影響，并對Pr和Nd元素的作用機制進行了探討。
　　 采用潤濕平衡法研究了不同含量Pr和Nd的添加對SnAgCu釬料潤濕性能的影響。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釬料的潤濕性能，當(dāng)稀土元素Pr和Nd的添加量分別為0.05wt.％時，釬料具有最佳

3、的潤濕性能，250℃試驗條件下，SnAgCu-0.05Pr以及SnAgCu-0.05Nd釬料相比SnAgCu釬料潤濕力分別提高了6.7％以及5.5％，潤濕時間分別降低了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，改善釬料的潤濕性能；但添加過量則會由于稀土元素的氧化惡化釬料的潤濕性能。
　　 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，促進釬料的凝固。當(dāng)稀土元素Pr和Nd的含量在0.

5、05wt.％左右時，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，釬料中會出現(xiàn)少量的稀土相RESn3相。
　　 采用納米壓痕試驗方法對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SnAgCu釬料的抗蠕變能力，SnAgCu釬料抗蠕變能力的增強主要依賴于Ag3Sn粒子強化作用。
　　 研究發(fā)現(xiàn)，Pr或Nd的添加可以顯著提高SnAgCu微焊點再流焊以及時效過程中力學(xué)性能，再流焊條件下，SnAgCu-0.05Pr以及SnAgCu-0.05Nd微焊點剪切力相比SnAgCu分別增加了19.4

7、％以及23.6％；隨著時效的進行，微焊點力學(xué)性能下降，但SnAgCu-0.05RE微焊點始終具有最高的力學(xué)性能，時效1440h后，SnAgCu-0.05Pr以及SnAgCu-0.05Nd微焊點力學(xué)性能相比SnAgCu焊點分別提高了37.3％以及46.0％。Pr和Nd的添加明顯降低了SnAgCu/Cu焊點時效過程中界面化合物總厚度生長速率，有利于焊點力學(xué)性能的保持，但對焊點Cu3Sn界面層的生長沒有明顯的影響。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的進行，因而抑制了Cu6Sn5界面層的生長；當(dāng)Pr和Nd的添加量過多時，裸露于空氣中的稀土相由于氧化呈現(xiàn)脆性特征，稀土元素對焊點界面層生長抑制的有利效果被弱化。
　　 采用深腐蝕方法對焊點內(nèi)部化合物三維形貌進行了研究分析。發(fā)現(xiàn)，Pr和Nd的添加可以降低SnAgCu焊點Cu6Sn5界面處初

9、晶Ag3Sn的形成幾率，初晶Ag3Sn具有較大的尺寸，對焊點力學(xué)性能整體性會產(chǎn)生不利的影響。時效條件下，界面層Cu6Sn5晶粒存在橫向粗化以及縱向延長生長兩種生長行為；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Cu6Sn5界面層向焊點內(nèi)部遷移生長起到釘扎的效果，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焊點內(nèi)部

10、Ag3Sn顆粒的體積分數(shù)增加，因而可以降低焊點界面層的遷移速率。
　　 SnAgCu釬料中過量Pr和Nd的添加會引發(fā)稀土相表面Sn須的生長，SnAgCu-0.1RE合金置于室溫條件下時效6個月后，稀土相表面未見有可見尺寸Sn須的生長現(xiàn)象；SnAgCu-0.5RE以及Sn-RE合金室溫時效24h后，表面就會出現(xiàn)明顯的Sn須生長現(xiàn)象。稀土相表面Sn須的生長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