微量元素的添加對無鉛焊料與常用基板間界面反應的影響.pdf

1、微電子封裝系統(tǒng)中，起到熱、電和機械連接作用的無鉛焊料合金與基板的界面反應直接影響焊點可靠性。本文以極具應用前景的Sn-Zn系和Sn-Ag系無鉛焊料合金為研究對象，通過添加微量第三元素和異相納米顆粒，結合微觀組織分析，系統(tǒng)研究了不同第三組元的添加對二元無鉛焊料合金與基板間界面反應的影響。同時采用高溫時效處理模擬焊點的高溫服役過程，揭示其組織中各相的演化規(guī)律、界面擴散行為以及金屬間化合物層的生長機制。上述研究包括的主要內容和獲得的結論是：<

2、br>　　 通過將Sn-9Zn、Sn-8Zn-1Bi和 Sn-8Zn-3Bi焊料合金在Cu板上回流焊接，系統(tǒng)研究了Bi組元的添加對Sn-Zn-xBi/Cu焊點界面形貌的影響。結果表明：隨Sn-9Zn焊料合金中Bi含量的增加，減少了焊料合金與Cu板間線膨脹系數差值，降低了界面處裂紋形成傾向。并且Bi組元的添加降低了Sn-Zn焊料合金的熔點，因此，在相同的回流過程中熔點越低焊料合金處于液態(tài)的時間越長，導致其金屬間化合物層厚度增加及晶粒粗化

3、。此外，Bi在金屬間化合物表面的局部偏聚，部分地阻擋了金屬間化合物向熔體焊料的溶解，導致Sn-8Zn-3Bi焊料合金界面金屬間化合物層呈現鋸齒狀形貌。
　　 研究了高溫時效下Sn-3.5Ag-x(x=0，0.75Ni，1.0Zn和1.5In)/Cu界面金屬間化合物的微觀組織演變及其生長規(guī)律。結果發(fā)現：高溫時效8分鐘前Ni3Sn4/Cu6Sn5金屬間化合物層在Sn-3.5Ag-0.75Ni/Cu界面處形成，當時效時間超過24分鐘后

4、，金屬間化合物層轉變?yōu)椋–u，Ni)6Sn5相，生長速度減緩。Cu6Sn5/Cu5Zn8金屬間化合物層在Sn-3.5Ag-1.0Zn/Cu界面形成，而且其生長速度近似于Sn-3.5Ag/Cu界面金屬間化合物層的生長速度。長時間時效后金屬化合物層轉變?yōu)镃u-Zn-Sn相，生長速度開始加快。Sn-3.5Ag焊料合金中添加In組元后界面處形成了Cu6(Sn，In微量)5金屬間化合物顆粒，加快了其生長速度直到In被界面反應消耗殆盡。
　　

5、 研究了時效過程中Sn-3.5Ag-1.5In 焊料合金與Au/Ni/Cu焊盤間的界面反應，發(fā)現時效過程中Sn-3.5Ag/Au/Ni/Cu 界面金屬間化合物由(Ni，Au)Sn4相演化為Ni3Sn4相，但生長速度沒有明顯變化。高溫時效初始階段(Ni，Au)Sn4和Ni3Sn4相在Sn-3.5Ag-1.5In/Au/Ni/Cu界面形成。當In組元參與到界面反應后，促進了Sn原子的擴散，加快了 Ni3(Sn,In)4相的生長速度，但長時

6、間時效時，其影響作用逐漸減小。
　　 通過制備Sn-8Zn-1Bi-x納米Ag和Sn-8Zn-1Bi-xMWCNTs復合焊膏，并將其置于Cu板上回流焊接，探討了納米Ag顆粒和MWCNT的添加對Sn-Zn-Bi焊料合金及界面金屬間化合物層生長過程的影響。結果表明：在Sn-Zn-Bi焊料合金中添加納米Ag顆粒后，在富Zn相的晶粒周圍形成AgZn3金屬間化合物顆粒，因此阻擋了水蒸氣和氧氣的擴散路徑，抑制了ZnO在晶粒邊界的形成；而部分