無鉛焊料-銅焊點(diǎn)微觀組織與力學(xué)性能研究.pdf

1、焊點(diǎn)不僅為電子元器件提供機(jī)械連接，而且是電流通道，其可靠性對電子整機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要作用，焊點(diǎn)的力學(xué)性能與焊點(diǎn)內(nèi)部組織密切相關(guān)，同時(shí)受加載條件影響。本文設(shè)計(jì)了一系列試驗(yàn)方法，研究了無鉛焊料/銅焊點(diǎn)的微觀組織演化規(guī)律，揭示了焊點(diǎn)在多種加載方式下的變形、損傷與破壞行為，分析了影響焊點(diǎn)可靠性的因素。
　　采用掃描電子顯微鏡和原位拉伸臺相結(jié)合的方法，跟蹤觀測了Sn3Cu/Cu焊點(diǎn)的拉伸和剪切變形行為。在拉伸過程中，界面化合物附近應(yīng)力集中

2、最為嚴(yán)重，微裂紋往往在Cu6Sn5/Sn界面附近萌生并沿一定角度向焊料內(nèi)部擴(kuò)展，最后斷裂發(fā)生在Cu6Sn5/焊料界面附近。剪切過程中，焊點(diǎn)的邊角處最先開裂，剪切變形過程中觀察到晶粒的轉(zhuǎn)動和細(xì)化破碎。通過進(jìn)行Sn3Cu/Cu焊點(diǎn)幾何尺寸與剪切強(qiáng)度關(guān)系實(shí)驗(yàn)，結(jié)合剪切過程原位觀察結(jié)果和強(qiáng)度理論，提出了焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度與幾何尺寸之間的關(guān)系式，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度不僅與焊料本身的性能有關(guān)，還與焊點(diǎn)內(nèi)焊料高度與寬度之比有關(guān)，隨著焊點(diǎn)高寬比的減小，剪切強(qiáng)度增大

3、，斷裂模式逐漸由Sn的韌性斷裂過渡為包含Sn的韌性斷裂和Cu6Sn5的脆性斷裂的混合斷裂。
　　通過改變回流時(shí)間、冷卻速度和時(shí)效處理等方法獲得了Sn3Ag0.5Cu/Cu焊點(diǎn)不同形貌的微觀組織，研究了金屬間化合物的生長行為以及微觀組織與加載速率對焊點(diǎn)強(qiáng)度的影響。Sn3Ag0.5Cu焊點(diǎn)的微觀組織主要包括焊接界面的金屬間化合物層、焊料中的β-Sn樹枝晶以及分布于β-Sn枝晶之間的Ag3Sn化合物和Cu6Sn5化合物。界面化合物層Cu

4、6Sn5的厚度和粒徑與回流時(shí)間的立方根成正比，時(shí)效處理后界面化合物層Cu6Sn5的厚度增加，晶粒間隙明顯減小?；亓鲬B(tài)組織中Ag3Sn化合物呈顆粒狀或樹枝狀形貌，Ag3Sn化合物總體呈網(wǎng)絡(luò)狀均勻分布在焊料內(nèi)部，而經(jīng)歷高溫時(shí)效后，網(wǎng)絡(luò)狀的分布狀態(tài)被打破，Ag3Sn化合物演化成粗棒狀形貌。界面化合物層形成于回流過程中，而焊料內(nèi)部的金屬間化合物主要形成于凝固過程中?；亓鬟^程中界面Cu6Sn5的形成伴隨著Sn的消耗，Sn3Ag0.5Cu焊料內(nèi)出現(xiàn)

5、局部的富Cu區(qū)和富Ag區(qū)，凝固過程中焊料內(nèi)部富Cu區(qū)出現(xiàn)Cu6Sn5化合物的形核與長大，富Ag區(qū)內(nèi)Ag3Sn化合物形核長大。降低冷卻速率，Ag3Sn化合物的尺寸增大，其形貌由樹枝狀演化為薄板狀，但仍保持網(wǎng)絡(luò)狀分布狀態(tài)。低應(yīng)變速率條件下，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度主要由焊料決定，焊點(diǎn)在變形過程中應(yīng)變主要由β-Sn承擔(dān)，Ag3Sn起到強(qiáng)化作用，高溫時(shí)效后，β-Sn晶粒粗化長大，Ag3Sn的網(wǎng)絡(luò)狀分布狀態(tài)被打破，且Ag3Sn化合物的尺寸形貌明顯改變，阻礙

6、位錯(cuò)運(yùn)動的強(qiáng)化作用大大減弱，使得焊點(diǎn)的強(qiáng)度降低。加載速率能夠影響焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度和斷裂模式，提高加載速率，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度增大，Sn3Ag0.5Cu/Cu焊點(diǎn)的斷裂模式由韌性斷裂逐漸向韌性斷裂和脆性斷裂相混合的斷裂模式轉(zhuǎn)變。
　　在熱疲勞過程中，焊點(diǎn)的可靠性與焊料組織、界面化合物層厚度和應(yīng)力加載方式有關(guān)，回流態(tài)焊點(diǎn)內(nèi)β-Sn晶粒、Ag3Sn和Cu6Sn5化合物尺寸較小，界面化合物層比較薄，焊點(diǎn)的熱疲勞失效斷裂主要是由于β-Sn熱膨脹系數(shù)

7、的各向異性引起的，微裂紋產(chǎn)生于β-Sn晶界處，并沿晶界擴(kuò)展。時(shí)效態(tài)焊點(diǎn)組織發(fā)生改變，焊料內(nèi)部Ag3Sn化合物粗化，強(qiáng)化作用減弱，界面化合物層增厚，在銅基體與Cu6Sn5化合物層之間形成新的Cu3Sn化合物層，界面化合物層體積分?jǐn)?shù)增加，導(dǎo)致應(yīng)變積累迅速，而Cu6Sn5本身比較脆，當(dāng)應(yīng)變累積到一定程度時(shí)，界面Cu6Sn5化合物發(fā)生脆性斷裂。
　　通過向Sn3Ag0.5Cu焊錫膏中添加納米Y2O3制備了一種復(fù)合焊料，研究了添加納米粒子對

8、焊接界面化合物層Cu6Sn5生長行為的影響，研究發(fā)現(xiàn)添加納米粒子能夠抑制界面Cu6Sn5的生長速度。納米粒子具有大的比表面積，容易產(chǎn)生吸附效應(yīng)。分布于Cu原子擴(kuò)散路徑上的納米粒子能夠阻礙Cu原子的擴(kuò)散行為，相當(dāng)于提高了擴(kuò)散激活能，從而降低了Cu6Sn5晶粒的生長速度。拉伸和剪切測試結(jié)果表明:添加納米氧化釔后焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都得到一定提高。低應(yīng)變速率條件下，焊料內(nèi)微裂紋的萌生源于位錯(cuò)過度塞積而引發(fā)的高應(yīng)力集中，添加納米氧化釔后，位