SnAgCuBi系無鉛焊料的開發(fā)及其焊點界面行為的研究.pdf

1、出于保護環(huán)境和保護人類自身健康的要求，電子產品的無鉛化已經是一個不可逆轉的大趨勢。而且隨著高密度封裝與組裝技術的發(fā)展，Sn-Pb焊料必須被替代。目前Sn-Ag-Cu三元共晶焊料被認刀是最有可能替代Sn-Pb的合金，但還存在熔點太高，潤濕性不良，焊點可靠性不穩(wěn)定等問題，因此有必要繼續(xù)從理論和實踐兩方面對其進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及界面的微觀組織

2、情況對無鉛焊料進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熱力學計算軟件，結合相圖計算的方法，初步設計出一種熔點更低的無鉛焊料合金，并對其進行了基本的理論、實驗研究和評價。 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用中的Sn-37Pb的替代品，并且熔化溫度區(qū)間也符合實際工藝要求。 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驗觀察：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Bi相對細小且析出區(qū)域集中，在凝固組織中同時起到固溶強化和彌散強化的作用。與Sn-Ag-Cu共晶焊料相比，經合金化設計的焊料基體組織晶粒相對細小。 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構成。

5、未經時效的接頭只觀察到了Cu<,6>Sn<,5>，經過125℃，10015的老化試驗之后，在靠近Cu焊盤一側又發(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Bi本身的脆性可能會使接頭的延展性變差。 依據局部平衡理論，在已有的熱力學數(shù)據基礎上經過亞穩(wěn)相圖的計算，通過比較各個金屬間化合物形成驅動力的大小，理論預測Sn-3.5Ag、Sn-3.8Ag-0.7Cu焊料與Cu焊盤在潤濕反應時中間相的生成序列：Cu<,6>Sn<,5>→Cu<,3>Sn。由于重熔時間較短，實驗中只觀察到Cu<,6>Sn<,5>，并不違背計算的結果。同理預測出500K潤濕

7、反應過程中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焊點時效過程中Ni向固態(tài)釬料中的溶解將也會導致先析出相Ni<,3>Sn<,4>的繼續(xù)生成和長大。Ni<,3>Sn<,4>的長大速率要遠遠小于Cu-Sn化合物的生長速率，從而作為擴散阻擋層，Ni能有效地抑制界面處金屬間化合物的長大。計算結果與本文中和已有的的實驗