Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头电迁移组织与性能

研究了温度对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头电迁移组织与性能的影响。随着环境温度从100℃升高到140℃,及通电时间从24 h延长到72 h,Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头阴极侧界面间金属化合物(IMC)Cu_6Sn_5逐渐变薄,由"扇贝状"变为"锯齿状"。阳极侧界面间IMC逐渐增厚,由"扇贝状"不断长大并形成凸起的小丘,且在母材接合处出现一层薄薄的Cu3Sn层。界面阳极侧IMC增加的厚度比界面阴极侧IMC减少的厚度大。Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头剪切强度持续降低。随着温度升高,相应的剪切断口由钎缝区的解理与韧窝共存在的混合型断裂,逐渐变为界面阴极侧IMC的以解理为主的脆性断裂。     

Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头在热循环下的电迁移行为

自主设计了热循环下钎焊接头电迁移试验装置,探究了热循环下电流密度对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu无铅钎焊接头界面及组织性能的影响。研究结果表明:在电流密度达到7.0×10~3A/cm~2时,出现明显的电迁移现象。随电流密度增加,钎焊接头阳极区金属间化合物(IMC)厚度显著增加,增厚的化合物主要是Cu_6Sn_5;阴极区IMC厚度呈幂指数缓慢增加,主要表现为Cu_3Sn的生长,且在阴极区与钎缝过渡区域出现裂纹和孔洞。钎焊接头发生电迁移后剪切强度降低50%,断裂发生在阴极界面IMC上,剪切断口呈脆性断裂。     

Ni-rGO增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料钎焊接头显微组织与性能

采用粉末熔化法制备了镍粒子修饰的还原氧化石墨烯(Ni-rGO)增强Sn2. 5Ag0. 7Cu0. 1RE复合钎料,借助于扫描电子显微镜和X射线衍射,研究了Ni-rGO增强Sn2. 5Ag 0. 7Cu 0. 1RE复合钎料钎焊接头的显微组织与性能。研究结果表明:Ni-rGO增强Sn2. 5Ag0. 7Cu0. 1RE复合钎料与Cu基板可实现良好焊接。在钎焊温度270℃、钎焊时间240 s时,复合钎料钎焊接头剪切强度为29. 7 MPa,高于Sn3. 0Ag0. 5Cu钎料钎焊接头。随着钎焊时间的增加,钎焊接头剪切断裂机制呈现由以韧窝为主的韧性断裂向韧窝和解理组成的韧-脆混合断裂转变,断裂途径由钎缝和界面金属间化合物(IMC)层组成的过渡区向界面IMC方向移动。复合钎料钎焊接头钎缝区由β-Sn和共晶组织组成,界面IMC层由Cu6Sn5和新相(Cu,Ni)6Sn5组成。Ni-rGO增强Sn2. 5Ag0. 7Cu0. 1RE复合钎料钎焊接头的IMC厚度、粗糙度增加,界面IMC显微组织由扇贝状转变为锯齿状。     

Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头电迁移特性研究

针对微焊点服役下的电迁移可靠性检测,设计制造了满足焊点在理想电迁移环境下的试验装置。结果表明：通过热分解法制备Ni-GNSs增强相,得到的Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头能有效抑制电迁移现象的发生。在电加载条件下,随电流密度升高,Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu接头阳极区界面金属间化合物(IMC)由起伏扇贝状转变为平坦厚大的板状,并出现了明显Cu₃Sn;阴极区界面IMC由锯齿状转变为薄条状,且有明显空洞裂纹。钎焊接头断裂位置从阴极界面IMC/钎缝的过渡区向阴极界面IMC迁移,断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变,剪切强度明显下降。     

Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头热迁移组织与性能

针对微焊点服役过程中由大温度梯度导致的热迁移问题,设计了一种热迁移试验装置,研究了复合钎料/Cu钎焊接头热迁移过程中的组织演变与力学性能.研究结果表明:设计的试验装置可满足单一热迁移试验条件.与未热加载时相比,Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头热迁移200 h后,接头热端Cu6 Sn5界面金属间化合物(IMC)大幅减薄并在界面出现微孔洞;冷端界面粗大扇贝状IMC厚度明显增加,冷端Cu/Cu6 Sn5界面间生成平均厚度1μm的层状IMC Cu6 Sn5.热加载200 h后,钎焊接头剪切强度降低33％.复合钎料钎焊接头断裂位置由热端界面IMC/钎缝的过渡区向界面IMC方向迁移;随热加载时间增加其断裂机制由韧性断裂向先转变为以韧性断裂为主的韧-脆混合断裂,再转变为以脆性断裂为主的韧-脆混合断裂.Ni-GNSs增强相的添加可抑制复合钎料/Cu钎焊接头的热迁移.     

粉末冶金工艺对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE无铅钎料组织性能的影响

在低熔点Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金粉末冶金制备工艺设计基础上,研究了预压和烧结对钎料合金组织与力学性能的影响。研究结果表明:低熔点Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金粉末冶金工艺预压应力和烧结温度分别为160 MPa和210℃,均高于高熔点铜、铝合金的预压应力和烧结温度。与熔炼法相比,Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金抗拉强度提高了15.5%。烧结会影响Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金初生β-Sn相和共晶组织形态,随烧结温度升高,初生β-Sn相组织比例升高。     

SnAgCu无铅钎料对接接头时效过程中IMC的生长

无铅钎料和铜基板间金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMC)的生长对元器件的可靠性有重要影响.使用Sn3.8Ag0.7Cu无铅钎料焊接Cu对接接头,并对对接头进行了125、150和175℃时效试验,时效时间分别为0、24、72、144、256、400 h.采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)和能谱X射线(EDX)观察了Sn3.8Ag0.7Cu/Cu界面IMC的生长及形貌变化,并对Sn3.8Ag0.7Cu/Cu界面扩散常数和生长激活能进行了拟合.此外,研究了时效对钎焊接头抗拉强度的影响,发现在时效条件下接头的抗拉强度呈先上升后下降的变化,且时效会对断裂形式造成影响.     

低银Sn2.5Ag0.7CuxRE钎料合金的润湿特性

采用润湿平衡法,研究了水洗钎剂条件下Sn2.5Ag0.7CuxRE无铅钎料合金在1206片式元器件和Cu焊盘上的润湿特性.结果表明,添加0.1%(质量分数)稀土的Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金在1206表面贴装元器件和Cu焊盘上有最大的润湿力和铺展面积及最小的润湿角,润湿性最好,其润湿力优于商用的Sn3.8Ag0.7Cu钎料合金,满足微电子连接用钎料对润湿性能的要求.     

Sn-Zn钎料Cu接头的界面反应及力学性能

研究了时效对Sn-Zn-Bi-Nd/Cu接头的界面反应和力学性能的影响.实验结果表明:经过150 ℃下400 h时效,反应扩散层中不仅原有的Cu5Zn8反应层厚度增加,在近Cu一侧还形成了Cu6Sn5反应层.此外,实验发现在Cu5Zn8反应层中易形成微裂纹,且裂纹长度随着时效时间的延长而增加.此时Sn-Zn钎料接头的剪切强度低于Sn-Pb钎料接头的剪切强度,断裂形式为贯穿CusZns反应层的解理断裂.在80℃时效后,Sn-Zn钎料接头的剪切断口位于钎料区,断裂形式为延性断裂,当时效时间达到1000 h,接头的剪切强度与Sn-Pb钎料接头的剪切强度相当.     

SnBi/Cu焊接接头的剪切性能及界面微观组织分析

通过对断口形貌和界面微观组织的观察分析,研究了3种Sn-Bi/Cu焊接接头的剪切断裂机理.结果表明:3种Sn-Bi/Cu焊接接头均在弹性变形阶段断裂,并且均沿Sn-Bi焊料/Cu基板界面处断裂.孔洞降低了3种Sn-Bi/Cu焊接接头的有效连接面积,从而降低了其剪切强度.根据3种Sn-Bi/Cu焊接接头断口形貌,Sn59.9Bi40Cu 0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu 0.1/Cu焊接接头剪切断裂机制属于准解理、沿晶脆性断裂和韧窝的混合型断裂,而Sn42Bi58/Cu焊接接头剪切断裂机制属于准解理断裂.微观组织分析显示,3种焊料合金焊接接头界面处的金属间化合物层均为连续的Cu₆Sn₅相.     

时效处理对Sn57Bi0.5Ag/Cu钎焊接头组织及性能的影响

研究了Sn57Bi0.5Ag/Cu钎焊接头在70℃、100℃时效过程中的显微组织和剪切强度的变化。结果表明:在钎料和Cu基体的界面间存在金属间化合物,随时效时间的延长,界面金属间化合物层的厚度增厚,接头区的组织出现了粗化;脆性的金属间化合物是钎焊接头的薄弱环节,接头剪切强度随时效时间的增加和界面化合物的增厚而下降;在时效时间达1000min以后,容易在金属间化合物层内观察到空洞。     

Cu含量对Sn基无铅钎料组织、界面反应影响

研究了Cu含量对Sn-xCu(x=0.7%,2%)、Sn-9Zn-xCu(x-0.2%,10%)两种无铅钎料的基体组织以及与Cu基板短时间钎焊时界面金属间化舍物(IMC)生长行为的影响.结果表明,当Sn-Cu钎料中Cu的含量为2%时,基体中IMC租化为块状的Cu6Sn5相;对于Sn-9Zn-xCu钎料合金,2%Cu元素的加入使得Sn-9Zn基体中长针状的富Zn相转化为Cu5Zn8相以及细小的富Zn相,而当Cu含量达到10%时,钎料基体中的IMC为CuZn相与Cu6Sn5相.在260℃短时间钎焊下,Cu含量的增加加速了Sn-xCu/Cu界面IMC的粗化和生长;而对于Sn-9Zn-xCu/Cu,Cu含量的增加却明显降低了界面IMC的生长速率.同时分析、讨论了界面IMC随钎焊时间变化的生长行为.     

微量Ag对Sn0.7Cu力学性能影响

SnCu共晶钎料在波峰焊领域被公认为SnPb共晶及近共晶钎料的最佳替代合金之一,但其熔点高,力学性能不良。本文采用合金化原理,在Sn0.7Cu合金中添加微量的Ag形成SnCuAg三元合金来改善合金性能。结果表明:当Ag质量分数小于0.2%时,随Ag含量增加,SnCuAg钎料抗拉强度和剪切强度逐渐提高;当Ag质量分数为0.2%时,SnCuAg抗拉强度较基体提高35.5%,剪切强度较基体提高46.5%。当Ag质量分数大于0.2%时,钎料合金的力学性能有所下降,这主要与新相Ag3Sn弥散强化作用及母材界面金属间化合物有关。     

BGA封装中含Bi,Ni的无铅焊球剪切强度研究

对Sn/3.5Ag/0.7Cu,Sn/3Ag/3Bi/0.5Cu和Sn/3Ag/3Bi/0.5Cu/0.1Ni三种BGA无铅焊球(0.76 mm)经不同热循环后,在FR-4基板上的剪切强度进行了测量.采用SEM和EDX对样品截面进行观察和元素分析.数据表明,Bi的掺入提高了焊料的润湿性及焊接强度,并减缓了IMC的生长速度;焊料中加入微量Ni可有效减小焊点下金属上Ni镀层的耗穿速度,抑制了焊球经热循环后焊接强度的下降.     

Sn-Zn-Cu/Cu界面反应及剪切强度

为探讨Cu的加入对Sn-Zn钎料性能的影响,研究了Sn-Zn-xCu与Cu箔钎焊界面处金属间化合物(IM C)成分、形貌及剪切强度.试验结果表明,含0~1%Cu时,Sn-Zn-xCu钎料与Cu母材钎焊界面处IM C主要为层状Cu5Zn8相;在含2%~6%Cu时,为Cu6Sn5相和Cu5Zn8相共同组成;在含8%Cu时,为Cu6Sn5相.这是由于合金基体中生成的Cu-Zn化合物阻碍了Zn向Cu界面处扩散,进而使得界面处IM C由层状Cu5Zn8逐渐向扇贝状Cu6Sn5转变.另外,随着Sn-Zn钎料中Cu含量的增加,Sn-Zn-xCu/Cu接头剪切强度因界面IM C类型的变化以及钎料合金自身强度的提高而使得钎焊接头剪切强度明显提高.     

低熔点铝基钎料的性能

采用真空感应熔炼炉制备低熔点Al-Si-Cu-Zn-Sn多元合金钎料,以Cu为主要降低钎料熔点的元素,Zn和Sn作为既降低钎料的熔化温度,又提高钎料的润湿性和流动性的元素.通过对钎料的性能测试表明:该钎料液相线温度为528.8℃,可在560℃钎焊6063铝合金,钎焊接头剪切强度达到母材抗拉强度的80%,并且该钎料具有良好的润湿性和流动性,可以用于锻铝及部分硬铝合金的钎焊.     

超声波辅助钎焊铜与石墨的组织及性能

采用四元合金Ag30Cu25Zn4Ti作为活性钎料,在大气中利用超声波辅助钎焊技术对铜和石墨进行了钎焊.通过改变超声波作用时间和方式,研究了不同超声波作用时间下钎料氧化膜破碎的效果,及其与TiC反应层形貌之间的关系.采用扫描电子显微镜对钎焊接头的微观组织进行了观察,最后对钎焊的接头进行了力学性能分析.结果表明:随着超声波作用时间的延长,液态钎料中的氧化膜逐渐减少,最终完全消除;与此同时,TiC反应层的厚度也在逐渐增加,最终趋于稳定.钎焊接头的组织由铜侧到石墨侧依次主要为Cu/Cu-Zn金属间化合物,Ag基固溶体和Cu基固溶体/TiC/石墨,钎焊接头的剪切强度最大值为18 MPa,界面的结合主要是超声波作用下活性元素Ti在石墨侧的偏聚形成TiC反应层而形成的.     

Cu/Al管气体火焰钎焊接头特征及热力学分析

通过计算Cu/Al管氧乙炔气体火焰钎焊条件下形成金属间化合物的各化学反应的熵变,对Cu/Al金属间化合物的形成及向CuAl2转化的趋势进行了化学热力学分析;结合XRD、SEM、EDS研究了Cu/Al管氧乙炔气体火焰钎焊接头组织与元素分布特征。结果表明,Cu/Al管氧乙炔气体火焰钎焊条件下,接头中脆性金属间化合物CuAl2由Cu、Al原子的直接结合和其他Cu/Al金属间化合物与Al原子的继续反应生成,其中CuAl自主转化趋势较强;热力学计算分析与接头XRD分析结果一致。钎焊接头可分为3个特征区域:靠近Al基体侧形成了宽度约30μm的α-Al与α-Al+CuAl2二元共晶区;钎缝中心偏Al基体一侧形成了宽度约150μm组织细密的多元共晶组织区;钎缝中靠近Cu基体宽度约120μm区域,Cu的大量扩散并与Al充分反应,形成了粗大珊瑚状CuAl2。     

Sn-Cu钎料液态结构与黏度分子动力学研究

应用基于MEAM势的分子动力学模拟,研究了Sn-0.7%Cu和Sn-1.8%Cu两种钎料在503~773K液态结构和黏度的变化规律.首先,通过模拟数据分别计算得出不同温度下两种钎料熔体的双体分布函数g(r)以及Cu元素和Sn元素在两种钎料合金中的均方位移,由均方位移得出自扩散系数,然后依据Stokes-Einstein方程计算出两种钎料的液态黏度,模拟计算液态黏度结果与实验数据基本一致.随着温度降低,黏度呈上升趋势,并且在黏度曲线上均出现跳跃点,以跳跃点为分界点,黏度曲线可以明显分为低温区和高温区.模拟得到的双体分布函数曲线符合热力学普遍规律,随着温度降低,第一峰和第二峰都变得更尖锐一些.     

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊

采用高纯氩气保护炉中钎焊的焊接方法研究了 15 %SiCp/ 30 0 3Al复合材料钎焊主要工艺参数对接头剪切强度的影响。结果表明 :采用HL4 0 2 0 .4 %Mg 0 .1%Bi钎料配合钎剂QJ2 0 1钎剂 ,在钎焊温度 6 15℃ ,保温6min ,在 3kPa的恒压力作用下 ,钎料铺展好 ,钎焊缝致密 ,获得了较高质量的复合材料钎焊接头 ,接头剪切强度最高可达 35MPa。试验还表明 ,钎料成分、钎焊温度和保温时间是影响接头强度的主要因素 ,接头区Al SiC、SiC SiC界面是使复合材料钎焊接头强度低于基体合金钎焊接头强度的主要原因