電子封裝用AuSn20共晶焊料的制備及其相關(guān)基礎(chǔ)研究.pdf

1、AuSn20焊料具有良好的熱導(dǎo)率、抗疲勞和抗蠕變性能，被廣泛應(yīng)用于高端電子產(chǎn)品的封裝。但是常規(guī)熔鑄法制備的AuSn20共晶焊料極脆，很難加工成為電子封裝所需的箔帶材。本文作者采用疊層冷軋+合金化退火法制備AuSn20箔帶材焊料，利用SEM(EDS)、XRD和DSC等實(shí)驗(yàn)手段研究疊軋和退火過(guò)程中焊料的組織演變和性能，并制定最佳軋制和退火工藝。根據(jù)AuSn20焊料的實(shí)際應(yīng)用情況，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法研究AuSn20焊料的焊接性能、焊點(diǎn)的可靠性

2、、以及焊接界面失效的影響因素;結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探討AuSn20/Ni(Cu)焊點(diǎn)界面金屬間化合物(IMC)層的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，并在此基礎(chǔ)上評(píng)估焊點(diǎn)的力學(xué)可靠性。本文的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　(1)采用疊層冷軋復(fù)合技術(shù)制備Au/Sn復(fù)合帶，研究疊合層數(shù)和軋制工藝對(duì)復(fù)合帶組織、成分和性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)疊合層數(shù)為7層時(shí)，采用多道次、小道次壓下量的軋制工藝可以制備出組織相對(duì)均勻、成分和熔點(diǎn)接近Au-Sn共晶合金的復(fù)合帶。在

3、疊層冷軋過(guò)程中，當(dāng)?shù)来螇合铝枯^大（最大道次壓下率為47.6％）時(shí)，Au層和Sn層發(fā)生不均勻變形，Au/Sn復(fù)合帶中Au含量偏高，熔點(diǎn)上升。當(dāng)采用小道次壓下量(最大道次壓下率23.8％)時(shí)，Au/Sn復(fù)合帶變形相對(duì)均勻。
　　(2)探討不同退火工藝下Au/Sn界面擴(kuò)散機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化出實(shí)現(xiàn)Au/Sn復(fù)合帶完全合金化的最佳退火工藝。在退火過(guò)程中，Au/Sn界面的AuSn、AuSn2和AuSn4復(fù)合IMC層隨退火時(shí)間延長(zhǎng)和退火溫度

4、升高而逐漸長(zhǎng)大，Au、Sn單質(zhì)逐漸減小，直至完全反應(yīng)。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，AuSn20焊料完全合金化退火的最佳工藝為220℃退火12h。
　　(3)采用回流焊技術(shù)制備AuSn20/Cu(Ni)焊點(diǎn)，研究其組織和剪切強(qiáng)度的隨釬焊和退火工藝的演變規(guī)律，證實(shí)焊點(diǎn)的力學(xué)可靠性及失效斷裂模式與IMC層的厚度和形貌有關(guān)。在310℃下釬焊時(shí)，AuSn20/Ni焊點(diǎn)界面處形成(Ni，Au)3Sn2 IMC層。焊點(diǎn)的室溫剪切強(qiáng)度隨釬焊時(shí)間延長(zhǎng)逐

5、漸降低。在120、160和200℃下老化退火時(shí)，界面形成(Au，Ni)Sn和(Ni，Au)3Sn2或(Au，Ni)Sn、（Ni，Au)3Sn2和（Ni，Au)3Sn復(fù)合IMC層。隨退火時(shí)間延長(zhǎng)和退火溫度升高IMC層的厚度逐漸長(zhǎng)大，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度逐漸減小。
　　(4)采用擴(kuò)散偶方法研究AuSn20/Ni焊接界面的IMC層的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí):Ni/AuSn20/Ni焊接界面的IMC層生長(zhǎng)均符合擴(kuò)散機(jī)制，其厚度l變化遵循公式:l

6、=k(t/t0)n。在120、160和200℃下退火時(shí)，AuSn20/Ni界面復(fù)合IMC層的生長(zhǎng)比例系數(shù)k分別為5.71×10-10m、3.24×10-9m和1.34×10-8m，時(shí)間指數(shù)n分別為0.514、0.471和0.459。在不同退火溫度中焊接界面IMC層的生長(zhǎng)均以體積擴(kuò)散為主。
　　(5) Cu/AuSn20/Ni焊點(diǎn)在釬焊和退火過(guò)程中的耦合界面反應(yīng)使焊點(diǎn)的組織和性能發(fā)生變化。在310℃下釬焊時(shí)，在Cu/AuSn20界面

7、形成胞狀ζ-(Au，Cu)5Sn層，在AuSn20/Ni界面形成(Ni，Au，Cu)3Sn2四元IMC層。Cu/AuSn20界面的Cu原子在釬焊過(guò)程中穿過(guò)焊料到達(dá)AuSn20/Ni界面參與耦合反應(yīng)。IMC層生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)表明Cu的耦合對(duì)Ni-Sn化合物的生長(zhǎng)起抑制作用。焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度隨釬焊時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增大后減小的趨勢(shì)。在退火過(guò)程中Cu/AuSn20界面形成AuCu和Au(Cu，Sn)復(fù)合IMC層，以體積擴(kuò)散機(jī)制隨釬焊時(shí)間逐漸生長(zhǎng)，而A