稀土元素的添加對(duì)SnBi系焊料合金微觀組織及界面反應(yīng)的影響.pdf

1、微電子封裝工藝中，無鉛焊料合金組織中的金屬間化合物（intermetalliccompound,IMC）起到熱、電和機(jī)械連接作用，其形態(tài)和分布直接影響著該合金的連接性能。焊料在基板上的焊接性能直接決定著焊點(diǎn)的可靠性，進(jìn)而影響整個(gè)電子設(shè)備的服役壽命。稀土元素以其特殊的性能被添加到無鉛焊料中，得到了許多研究者的關(guān)注。本文以極具應(yīng)用前景的Sn30Bi0.5Cu、Sn35Bi1Ag和Sn57Bi1Ag無鉛焊料合金為基體，分別添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混

2、合稀土元素（rareearth,RE）制備新型無鉛焊料合金。研究了新型無鉛焊料與Cu基板焊接后其焊接接頭的微觀組織演變，時(shí)效過程中界面處金屬間化合物的生長(zhǎng)規(guī)律及稀土元素的添加對(duì)無鉛焊料硬度的影響機(jī)制。又同時(shí)研究了Sn58Bi無鉛焊料與電鍍不同元素的Cu基板反應(yīng)，其焊接接頭微觀組織和界面金屬間化合物的演變。全文主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　稀土元素的添加對(duì)SnBiCu-xRE和SnBiAg-xRE（x=0,0.25和0.5）無鉛焊料合金

3、的熔點(diǎn)略有影響。微量稀土元素的添加細(xì)化了焊料合金基體中的β-Sn相、Cu6Sn5相和Ag3Sn相，并使其均勻分布在焊料合金基體中。隨著稀土元素的添加，焊料合金的顯微硬度明顯升高。當(dāng)添加0.5wt.％RE時(shí)，由于基體組織中少量脆性富Bi相枝晶的析出，SnBiAg焊料合金的顯微硬度增長(zhǎng)緩慢；焊接接頭處金屬間化合物層Cu6Sn5相的生長(zhǎng)受到抑制，這是因?yàn)樘砑拥南⊥猎匾种屏薙n元素的活性，降低了Cu6Sn5層生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。
　　通過對(duì)S

4、n57Bi1Ag-xRE/Cu（x=0,0.25，0.5，0.75和1.0）焊料合金微觀組織演變的研究發(fā)現(xiàn)：隨著微量稀土元素的添加，Sn57Bi1Ag-xRE焊料的固相線下降，糊狀溫度區(qū)間略有上升。當(dāng)添加微量稀土元素時(shí)，焊料合金中的富Bi相得到細(xì)化，但是過量稀土元素的添加導(dǎo)致RE(Bi,Sn)3金屬間化合物的形成，使稀土元素對(duì)富Bi相枝晶的吸附作用減弱，從而促進(jìn)了富Bi相的生長(zhǎng)。由于稀土元素在界面處的吸附作用，使得界面處金屬間化合物Cu

5、6Sn5層的生長(zhǎng)受到抑制。
　　通過時(shí)效處理SnBiAg-xRE/Cu焊接接頭，探討了焊接接頭界面處金屬間化合物的生長(zhǎng)規(guī)律。結(jié)果表明：焊料界面處金屬間化合物的生長(zhǎng)和厚度變化受稀土元素對(duì)Cu6Sn5相吸附作用的影響。稀土元素對(duì)富Bi相晶粒的細(xì)化作用會(huì)促進(jìn)金屬間化合物的生長(zhǎng)，而其在界面處Cu6Sn5相表面的吸附會(huì)抑制金屬間化合物的生長(zhǎng)。這使得SnBiAg-0.5RE/Cu界面處的金屬間化合物的厚度生長(zhǎng)速度最小。
　　研究了Sn5

6、8Bi/x（x=Cu，Ni/Cu，Au/Ni/Cu，Ag/Cu和Zn/Cu）焊接接頭微觀組織及界面金屬間化合物層的演變。研究發(fā)現(xiàn)：Sn58Bi焊料合金在不同基板上焊接時(shí)，界面形成的金屬間化合物是不同的，且其厚度也不相等。電鍍Au和Ag的焊接接頭微觀組織中分別出現(xiàn)了長(zhǎng)條狀的AuSn4相和Ag3Sn相,而界面處出現(xiàn)了不同的金屬間化合物，比如AuSn4相、Ag3Sn相和Ni3Sn4相。電鍍Au和Ni元素后，微觀組織中的富Bi相尺寸減小，得到細(xì)