SnAgCuBi系無鉛焊料的開發(fā)及其焊點(diǎn)界面行為的研究.pdf

1、出于保護(hù)環(huán)境和保護(hù)人類自身健康的要求，電子產(chǎn)品的無鉛化已經(jīng)是一個不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢。而且隨著高密度封裝與組裝技術(shù)的發(fā)展，Sn-Pb焊料必須被替代。目前Sn-Ag-Cu三元共晶焊料被認(rèn)刀是最有可能替代Sn-Pb的合金，但還存在熔點(diǎn)太高，潤濕性不良，焊點(diǎn)可靠性不穩(wěn)定等問題，因此有必要繼續(xù)從理論和實(shí)踐兩方面對其進(jìn)行添加新的合金元素，優(yōu)化合金性能。接頭的界面行為對焊點(diǎn)的可靠性影響很大，因此通過研究焊接過程和服役過程中接頭界面的反應(yīng)及界面的微觀組織

2、情況對無鉛焊料進(jìn)行考察是必不可少的一個步驟。此外，作為研究手段，相圖計算對于優(yōu)化無鉛焊料合金成分，設(shè)計理想的焊接界面具有十分重要的意義。 本文針對電子組裝行業(yè)的發(fā)展要求，借助于Thermo-Calc熱力學(xué)計算軟件，結(jié)合相圖計算的方法，初步設(shè)計出一種熔點(diǎn)更低的無鉛焊料合金，并對其進(jìn)行了基本的理論、實(shí)驗(yàn)研究和評價。 對Sn-Ag-Cu三元合金系添加Bi元素后，新四元焊料合金的化學(xué)成分被初步計算為Sn-3.OAg-0.5Cu-

3、4.5Bi，從其具有相對較低的熔化溫度(211～212℃)方面來看，它更適合于作為表面貼裝應(yīng)用中的Sn-37Pb的替代品，并且熔化溫度區(qū)間也符合實(shí)際工藝要求。 通過理論上采用Scheil模型模擬液態(tài)焊料的快速凝固過程和對合金組織的實(shí)驗(yàn)觀察：Sn-3.0Ag-O.5Cu-4.5Bi組織組成物中，Ag3Sn大多數(shù)為纖維狀和針狀，少量片狀或粒狀的Cu<,6>Sn<,5>分布比較分散，在化合物較密集區(qū)Ag<,3>Sn、Cu<,6>Sn<

4、,5>多呈顆粒狀分布；白色的塊狀析出相單質(zhì)Bi相對細(xì)小且析出區(qū)域集中，在凝固組織中同時起到固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用。與Sn-Ag-Cu共晶焊料相比，經(jīng)合金化設(shè)計的焊料基體組織晶粒相對細(xì)小。 分別采用手工電烙鐵焊接和浸焊工藝，得到Sn-3.5Ag、Sn-3.8Ag-O.7Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu-4.5Bi三種焊料與Cu焊盤反應(yīng)所形成的焊接接頭。其界面處的金屬間化合物均由Cu<,6>Sn<,5>、Cu<,3>Sn構(gòu)成。

5、未經(jīng)時效的接頭只觀察到了Cu<,6>Sn<,5>，經(jīng)過125℃，10015的老化試驗(yàn)之后，在靠近Cu焊盤一側(cè)又發(fā)現(xiàn)了薄薄的一層Cu<,3>Sn。時效過程中原本彌散分布在焊料中的單質(zhì)Bi顆粒會在靠近Sn-3.0Ag.0.5Cu-4.5Bi/Cu界面處發(fā)生聚集現(xiàn)象并粗化。隨著時效時間的增加，接頭界面處金屬間化合物逐漸趨于連續(xù)和平緩，化合物層厚度增加。同等時效條件下，sn-3.0Ag-0.5Cu-4.5Bi合金焊接接頭界面處化合物層的厚度要小

6、于Sn-3.0Ag-0.5Cu合金，但是單質(zhì)Bi本身的脆性可能會使接頭的延展性變差。 依據(jù)局部平衡理論，在已有的熱力學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上經(jīng)過亞穩(wěn)相圖的計算，通過比較各個金屬間化合物形成驅(qū)動力的大小，理論預(yù)測Sn-3.5Ag、Sn-3.8Ag-0.7Cu焊料與Cu焊盤在潤濕反應(yīng)時中間相的生成序列：Cu<,6>Sn<,5>→Cu<,3>Sn。由于重熔時間較短，實(shí)驗(yàn)中只觀察到Cu<,6>Sn<,5>，并不違背計算的結(jié)果。同理預(yù)測出500K潤濕

7、反應(yīng)過程中Sn-37Pb/Ni界面處金屬間化合物的形成序列：Ni<,3>Sn<,4>→Ni<,3>Sn<,2.→Ni<,3>Sn。從時效溫度下的等溫截面相圖可知Sn-37Pb/Ni焊點(diǎn)時效過程中Ni向固態(tài)釬料中的溶解將也會導(dǎo)致先析出相Ni<,3>Sn<,4>的繼續(xù)生成和長大。Ni<,3>Sn<,4>的長大速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Cu-Sn化合物的生長速率，從而作為擴(kuò)散阻擋層，Ni能有效地抑制界面處金屬間化合物的長大。計算結(jié)果與本文中和已有的的實(shí)驗(yàn)