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.     

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。     

钎焊接头金属间化合物层形貌对扩散浓度和应力的影响

结合实验结果,建立了芯片封装技术中焊点金属间化合物(IMC)界面模型,采用有限元方法计算了模型中Sn钎料与Cu焊盘形成IMC层时Cu原子的扩散过程以及扩散应力大小与分布.结果表明:IMC层与钎料的界面形貌可显著影响Cu原子扩散浓度及应力行为.凹凸界面形貌会严重阻碍Cu原子的扩散,且靠近界面影响更为显著;扇贝形界面模型比...     

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。     

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。     

AuSn/(Ni/AlSi)焊点的界面反应及剪切强度

分别采用双辊甩带快速凝固技术和喷射沉积技术制备AuSn焊料和AlSi合金,研究AuSn/(Ni/AlSi)焊点的界面反应特征及固相老化退火时间对焊点组织和剪切强度的影响。研究结果表明:在300℃钎焊90 s后,AuSn/(Ni/AlSi)焊点形成细小的层状(ζ-Au5Sn)+(δ-AuSn)共晶组织和针状的(Ni,Au)3Sn2相。焊点在200℃固相老化退火不同时间后,共晶组织明显粗化,焊料/基体界面处形成(Au,Ni)Sn+(Ni,Au)3Sn2复合金属间化合物(IMC)层,且随退火时间延长逐渐增大。退火时间达1 000 h时,在(Ni,Au)3Sn2/Ni界面处产生(Ni,Au)3Sn相。当退火时间小于300 h时,焊点剪切强度随退火时间延长逐渐降低,断裂形式主要是发生在焊料/IMC界面的脆性断裂。退火时间继续延长剪切强度基本不变,断裂主要发生在IMC内部,而且从断裂模型沿晶断裂转变为穿晶断裂。     

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.     

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。     

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.     

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.     

微量Nd对Sn-9Zn钎料特性及焊点组织与性能的影响

研究Sn-9Zn中添加微量稀土元素Nd对合金显微组织和铺展性能的影响,对比分析Sn-9Zn-xNd(x=0,0.1,0.5)钎料/Cu焊点界面微观特征及力学性能。结果表明:微量Nd元素在Sn-9Zn合金中能够显著细化组织,但添加量为0.5%时合金中形成了"十字状"NdSn3金属间化合物(IMC)。钎焊温度较低或时间较短时,微量Nd添加能够改善Sn-9Zn合金在Cu基板上的铺展性能;但是在温度较高或时间较长的钎焊工艺条件下,由于Nd元素的严重氧化导致钎料铺展性能明显下降。在Sn-9Zn中添加0.1%Nd,在界面处形成了均匀细密分布的"毛绒状"共晶组织,能够提高焊点结合性能;Nd添加量为0.5%时,成分偏聚引起的组织不均匀导致焊点力学性能下降。     

Effects of nano-sized Ag reinforcing particulates on the microstructure of Sn-0.7Cu solder joints

Composite solders were prepared by mechanically dispersing different volumes of nano-sized Ag particles into the Sn-0.7Cu eutectic solder. The effects of Ag particle addition on the microstructure of Sn-0.7Cu solder joints were investigated. Besides, the effects of isothermal aging on the microstructural evolution in the interfacial intermetallic compound (IMC) layer of the Sn-0.7Cu solder and the composite solder reinforced with 1vol% Ag particles were analyzed, respectively. Experimental results indicate that the growth rate of the interfacial IMC layer in the Ag particles reinforced composite solder joint is much lower than that in the Sn-0.7Cu solder joint during isothermal aging. The Ag particles reinforced composite solder joint exhibits much lower layer-growth coefficient for the growth of the IMC layer than the corresponding solder joint.     

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.     

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.