Au-Sn焊点异质界面的耦合反应及其对力学性能的影响

为了探讨Au-Sn异质焊点耦合界面反应对界面IMC层生长行为及焊点力学性能的影响,采用回流焊技术制备Ni/AuSn/Ni和Cu/AuSn/Ni三明治结构焊点,通过扫描电子显微镜(SEM)与能谱分析(EDS)研究焊点在钎焊与老化退火中的组织演变。研究结果表明:在钎焊中Ni-Ni焊点的Au Sn/Ni界面形成(Ni,Au)_3Sn_2金属间化合物(IMC)层,而Cu-Ni焊点的AuSn/Ni界面形成(Ni,Au,Cu)_3Sn_2四元IMC层,表明钎焊过程中上界面的Cu原子穿过Au Sn焊料到达Ni界面参与耦合反应。在老化退火中,界面IMC层的厚度l随退火时间t延长而逐渐增大,其生长规律符合扩散控制机制的关系式:l=k(t/t_0)~n。在160℃和200℃退火时,(Ni,Au)_3Sn_2层的生长以晶界扩散和体积扩散为主。由于Cu原子的耦合作用,(Ni,Au,Cu)_3Sn_2层的生长以反应扩散为主。Cu-Ni异质界面焊点中,Cu的耦合作用抑制了Au Sn/Ni界面(Ni,Au,Cu)_3Sn_2IMC层的生长,减缓了焊点剪切强度的下降速度,有利于提高焊点的可靠性。     

Microstructural evolutions of Cu(Ni)/AuSn/Ni joints during reflow

Interfacial reactions of the Ni/AuSn/Ni and Cu/AuSn/Ni joints are experimentally studied at 330 °C for various reflow times. The microstructures and mechanical properties of the as-solidified solder joints are exam ined. The as-solidified solder matrix of Ni/AuSn/Ni presents a typical eutectic ζ ′-(Au,Ni)5Sn+ δ -(Au,Ni)Sn lamellar microstructure after reflow at 330 °C for 30 s. After reflow for 60 s, a thin and flat (Ni,Au)3Sn2 intermetallic compound (IMC) layer is formed, and some needle-like (Ni,Au)3Sn2 phases grow from the IMC layer into the solder matrix. On the other hand, a cellular-type ζ (Cu) layer is found at the upper AuSn/Cu interface in the Cu/AuSn/Ni joint after reflow for 30 s, and a (Ni,Au,Cu)3Sn2 IMC layer is also formed at the lower AuSn/Ni interface. For both joints the IMC layer grows significantly with the increase of reflow time, but the growth rate of (Ni,Au,Cu)3Sn2 IMC in the Cu/AuSn/Ni joint is smaller than that of the (Ni,Au)3Sn2 layer in the Ni/AuSn/Ni joint. The comparisons of the shear strength and fracture surface between the Ni/AuSn/Ni and Cu /AuSn/Ni joints suggest that the coupling effect of the Cu/AuSn/Ni sandwich joint is helpful to prevent the excessive growth of (Ni,Au)3Sn2, which in turn enhances the mechanic al reliability of the solder joint.     

SnAg及SnAgCu无铅焊料接头中金属间化合物在时效中的演变

对SnAg共晶合金及SnAgCu共晶合金无铅焊料与Cu或Ni／Cu或Au／Ni／Cu衬底经钎焊方法焊接后,在焊接界面和焊料内部形成的金属间化合物(IMC)的类型、形貌和分布形式,以及焊接接头在随后时效过程中IMC的类型、成分和形貌的演变规律进行综述。分析结果表明,在钎焊过程中,IMC的类型与焊料成分有关,与衬底金属在焊料合金中的溶解度及扩散速度有关;IMC的形貌与加热温度、冷却速度及焊接界面的温度梯度有关;IMC的分布与焊料成分及接头中金属元素的扩散能力有关;焊料接头的断裂机理与接头合金成分、时效温度、时效时间、载荷方式有关;在时效过程中,焊料共晶组织粗化,焊料强度下降,断裂会在焊料内部发生;当IMC厚度增大到临界尺寸时,应力集中严重,多层IMC形成,空穴形成及长大,在IMC界面层断裂;若两者强度接近,则断裂部分发生在焊料,部分发生在界面IMC处。     

高温时效下Sn/SnPb混装焊点的微观组织研究

针对Sn/Sn Pb混合组装焊点在工艺兼容性和长期可靠性方面存在的问题,设计了带菊花链结构的板级电路,采用回流焊接工艺对无铅方形扁平封装(QFP)器件和Sn Pb焊料实现混合组装,对组装样品进行1500 h的高温老化实验。通过对高温老化前后混装焊点显微组织的分析和电、力学性能的研究,探讨混装焊点两侧焊接界面金属间化合物(IMC)的生长规律及其对焊点电、力学性能的影响.结果表明:Cu6Sn5和Cu3Sn金属间化合物厚度均与老化时间的平方根呈线性关系,混装焊点界面的Cu6Sn5分解反应是Cu3Sn化合物的主要生长机制;老化过程中富铅相在焊接界面的聚集,切断了焊点内Sn原子的扩散通路,形成阻碍IMC层进一步生长的抑制区;焊点基体β-Sn的尺寸粗化、Pb的富聚以及具有本质脆性的IMC层状生长降低了焊点的抗拉强度,层状IMC的厚度在一定程度上反映了焊点的力学性能.     

Sn-Ag-Cu和Sn-Ag-Bi焊料在Ni-P基板上焊点剪切强度的分析

采用改进的剪切强度测试方法,对Sn-Ag-Cu,Sn-Ag-Bi无铅焊料在Ni-P基板上的焊点,经0~1 000 h热时效后的剪切强度进行了测量,并对断裂面的微观结构进行了观察分析.结果表明焊点的剪切断裂位置与焊接界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)的厚度有关,随着IMC的增厚,前切断列的位置将逐渐接近于IMC与基板的界面;Sn-Ag-Bi焊点的剪切强度明显高于Sn-Ag-Cu,剪切断裂则更易于发生在IMC层中.     

Microstructural evolutions of Cu(Ni)/AuSn/Ni joints during reflow

Interfacial reactions of the Ni/AuSn/Ni and Cu/AuSn/Ni joints are experimentally studied at 330℃for various reflow times.The microstructures and mechanical properties of the as-solidified solder joints are examined.The as-solidified solder matrix of Ni/AuSn/Ni presents a typical eutecticξ-(Au,Ni)_5Sn+δ-(Au,Ni)Sn lamellar microstructure after reflow at 330℃for 30 s.After reflow for 60 s,a thin and flat(Ni,Au)_3Sn_2 intermetallic compound(IMC) layer is formed,and some needle-like(Ni,Au)_3Sn_2 phases grow f...     

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.     

激光能量与回流对直角型Au/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Au焊点界面微观组织和可靠性的影响

利用激光喷射锡球键合(LJSBB)技术,通过设置不同的激光能量和回流次数,并采用微焊点横截面试样和SEM/EDX以及热冲击测试等方法,对比研究了激光能量和回流次数对直角型Au/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Au微焊点初始界面微观组织和热冲击性能的影响.结果表明:激光能量和回流可以显著影响界面金属间化合物(IMC)的形态和分布,随着能量增加,远离Au层弥散分布的细小近棒状AuSn4转变为粗大的针状或层状组织;再次回流后,在微焊点温度梯度较大的尖角处容易形成层状AuSn4相,而在焊点基体内部的界面附近形成粗大的针状AuSn4相;较低能量条件下键合后的微焊点焊盘上残留的Au层为热循环过程中IMC相的生成提供了充足的Au原子,导致界面组织粗大并出现微裂纹,进而削弱抗热冲击性能.     

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。     

回流次数对Sn3.5Ag0.5Cu焊点特性的影响

研究了回流次数对Sn3．5Ag0．5Cu焊点特性的影响,采用扫描电镜SEM和光学显微镜对多次回流后Sn3．5Ag0．5Cu焊点界面金属间化合物（IMC）层的形貌和拉伸断裂断口形貌进行了分析．结果表明：随着回流次数的增加,焊点的宽度和金属间化合物的厚度增加;焊料和凸点下金属化层（UBM）之间界面上的IMC组织从针状逐渐粗化;焊料的拉伸强度有轻微变化;断裂面第一次回流焊后出现在焊料中,而多次回流焊后断裂面部分出现在焊料中,部分出现在UBM和焊料的界面中．     

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。     

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.     

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.     

双辊甩带制备Au-20%Sn焊料及其均匀化退火工艺

采用双辊甩带技术制备Au-20%Sn焊料薄带材,观察和分析快速凝固Au-20%Sn焊料薄带的显微组织以及熔融特性,并研究合金的均匀化退火工艺。研究结果表明:双辊甩带合金由ζ′(An5Sn)和δ(Au Sn)两相组成,显微组织细小。合金的熔化温度接近共晶点,满足焊料的熔点要求。均匀化退火过程中,δ(Au Sn)相逐渐长大,合金的硬度降低。根据薄带的组织和硬度,确定均匀化退火工艺为260℃下退火4 h。     

钎焊工艺对InAg低温焊料结构及剪切性能的影响

针对不同回流工艺曲线对In3Ag焊膏焊点表面形貌、界面IMC(Intermetallic compound)层和剪切强度的影响进行研究.采用扫描电镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)分别对IMC层的微观结构和焊点的组织成分进行观察和分析,采用力学试验机测试焊点的剪切强度,并通过SEM观察其断口形貌.研究结果表明:IMC层厚度随钎焊曲线峰值温度升高而增加,焊点剪切强度随峰值温度升高而降低,断裂模式为韧性断裂.其合适的钎焊工艺为峰值温度160℃,并在150℃保温1min,可得到表面光亮、润湿性能好、助焊剂残留少的焊点,其基体为富In相,在基体上弥散分布着AgIn2颗粒,IMC层是均匀、致密的扇贝状结构,厚度约为3μm,成分约为(Ag0.sCu0.2)In2;在此条件下,焊点剪切强度最高,为7.24 MPa.     

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。     

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

借助扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪和微剪切试验等手段,研究了镀镍还原氧化石墨烯(Ni-rGO)增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头电迁移组织与性能。研究结果表明:在恒温120℃、电流密度1×10~4 A/cm~2条件下,随着通电时间的增加,Ni-rGO增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头电迁移阳极区金属间化合物(IMC)层Cu_6Sn_5和Cu_3Sn平均厚度增大,阴极区界面IMC层Cu_6Sn_5平均厚度减小、Cu_3Sn平均厚度先增大后减小。Ni-rGO的添加,明显抑制了Ni-rGO增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头电迁移阳极区Cu_6Sn_5的生长及阴极区微空洞的生成,提高了钎焊接头剪切强度。通电72 h后,Ni-rGO增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头的剪切强度较未添加Ni-rGO的提高了47.8%。复合钎料/Cu钎焊接头电迁移剪切断裂,由阴极钎缝区呈以韧窝为主的韧性断裂,向界面IMC由解理、准解理和少量韧窝组成的混合型断裂转变。     

Bi元素添加对Sn1.0Ag低银无铅焊料性能的影响

为了降低Sn-Ag系焊料的熔点和成本，在Sn1.0Ag焊料中加入质量分数为x(x=0.5,1.0,2.0,3.0)的Bi元素，对焊料的物相成分、熔点、润湿性、拉伸性能、金属间化合物的形貌和厚度、焊点的剪切性能进行了研究，得出了Bi元素的添加对Sn1.0Ag焊料性能的影响规律.结果表明，Bi元素的加入可以降低焊料的熔点，提高焊料的润湿性和抗拉强度，抑制金属间化合物的过度生长，提高焊点的剪切强度；少量添加Bi元素，焊料的塑性上升，Bi元素添加量增大，断后伸长率反而降低，焊料的塑性下降.     

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。     

SnAgNi钎料钎焊Ni镀层SiCp/Al复合材料的接头微观结构及剪切性能

采用Sn-2·5Ag-2·0Ni焊料钎焊了具有Ni(P)/Ni(B)和Ni(P)/Ni两种双镀层结构的SiCp/Al复合材料.结果表明,SnAgNi/Ni(B)/Ni(P)和SnAgNi/Ni/Ni(P)两种接头均生成唯一的金属间化合物Ni3Sn4.SnAgNi焊料与Ni(B)镀层之间的快速反应速度使Ni3Sn4金属间化合物具有高的生长速度.时效初期的SnAgNi/Ni/Ni(P)接头的剪切强度高于SnAgNi/Ni(B)/Ni(P)接头,但在250h时效后其剪切强度剧烈下降,低于SnAgNi/Ni(B)/Ni(P)接头.金属间化合物的生长及裂纹的形成是SnAgNi/Ni/Ni(P)接头失效的主要原因,而SnAgNi/Ni(B)/Ni(P)接头失效的主要原因是Ni(P)镀层中Ni原子的定向扩散使SiCp/Al复合材料与Ni(P)处产生孔洞.