部分無(wú)鉛焊料體系的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、焊接材料在電子封裝中起著重要的作用，然而傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料中的Pb對(duì)人類(lèi)的身體健康和環(huán)境造成極大的危害。這一問(wèn)題已經(jīng)引起歐美、日本及我國(guó)政府的高度重視，并已制定出多項(xiàng)政策來(lái)限制含鉛焊接材料的使用。無(wú)鉛焊料的研究已是電子封裝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。經(jīng)過(guò)近十年有關(guān)無(wú)鉛焊料的研究表明，無(wú)鉛焊接材料不可能是簡(jiǎn)單的二元合金，而是由多元素構(gòu)成的多元合金。目前在研究和開(kāi)發(fā)該材料的過(guò)程中，主要是嘗試研究法，這消耗了大量的人力和物力。相圖熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算

2、在材料的研究設(shè)計(jì)方面具有重要的指導(dǎo)作用，并且成為研究比較活躍的領(lǐng)域之一。無(wú)鉛焊料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可以減少大量的無(wú)鉛焊料設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)、減小設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，并且為界面反應(yīng)研究提供了一個(gè)很有效的工具。 本研究的主要工作是完善已有的無(wú)鉛焊料設(shè)計(jì)系統(tǒng)和初步建立無(wú)鉛焊料動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。本研究利用電子探針(EPMA：electron probe micro-analyzer)通過(guò)合金法和擴(kuò)散偶法對(duì)部分無(wú)鉛焊料三元系相平衡進(jìn)行了

3、實(shí)驗(yàn)測(cè)定；利用差示掃描量熱分析(DSC：differential scanning calorimetry)測(cè)定了部分相變溫度；利用相圖計(jì)算的CALPHAD(calculation of phase diagrams)方法對(duì)無(wú)鉛焊料部分二元和三元系的相圖進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，獲得整個(gè)體系較為精確的相圖和合理的熱力學(xué)參數(shù)，從而完善無(wú)鉛焊接材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，利用DICTRA軟件對(duì)純組元和部分二元系的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，初步建立無(wú)鉛焊接材料動(dòng)

4、力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。本研究的主要內(nèi)容如下： (1)基于合金法和擴(kuò)散偶法實(shí)驗(yàn)方法，(a)測(cè)定了Sn-Ag-Au三元系在300℃、400℃和500℃的相平衡和部分不變反應(yīng)的溫度；(b)測(cè)定了Sn-Au-Bi三元系在200℃、250℃、300℃和400℃的相平衡和部分不變反應(yīng)溫度，結(jié)果表明在Sn-Au-Bi三元系有一個(gè)三元金屬間化合物(())，該()相300℃時(shí)固溶度范圍為Sn12.2Au48.8Bi39到Sn13Au49Bi38(at.％)

5、，熔點(diǎn)為312.7℃。X-射線衍射分析表明()相的空間群為P63/mmc，具有和AuSn相類(lèi)似的結(jié)構(gòu)；(c)測(cè)定了Sn-Cu-Ni和Sn-Au-Cu三元系在500℃的相甲衡關(guān)系，初步確定了500℃的等溫截面相圖；(d)測(cè)定了Ag-Bi-Ni和Cu-Bi-Ni三元系的相平衡，并首次確定了在300℃、400℃和500℃的Ag-Bi-Ni和Cu-Bi-Ni三元系的等溫截面相圖，確定了Cu-Bi-Ni三元系300℃在Cu-Ni側(cè)存在一個(gè)NiBi

6、+fcc(Cu)+fcc(Ni)的三相平衡區(qū)；(e)測(cè)定了Bi-Ni-Zn體系在300℃、500℃和700℃的相平衡；(f)測(cè)定了Sn-Ni二元系和Sn-Bi-Ni三元系部分相平衡，確定Sn-Ni二元系內(nèi)不存在NiSn相，而是一個(gè)固溶范圍較大的Ni3Sn4相。 (2)利用CALPHAD方法，根據(jù)本研究測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，(a)對(duì)Sn-Ni、Sn-Ag-Au、Sn-Ag-Ni、Sn-Au-Bi、Ag-Bi-Ni、C

7、u-Bi-Ni等體系相圖進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的較好；(b)對(duì)Sn-Cu-Ni和Sn-Au-Cu三元系相圖進(jìn)行了初步的熱力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本是一致的，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定偏差，熱力學(xué)參數(shù)還需要進(jìn)一步的優(yōu)化；(c)利用二元系熱力學(xué)參數(shù)外推計(jì)算了Sn-Bi-Ni和Bi-Ni-Zn三元系等溫截面相圖，計(jì)算結(jié)果與本研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的很好；(d)對(duì)Ag-Cu-Ni、Ag-Au-Cu、Ag-Au-Ni、Au-C

8、u-Ni三元系相圖進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的比較好。 (3)利用：DICTRA軟件，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)對(duì)Sn、Ag、Cu、Ni、Au、In、Sb、Zn、Pb等純組元在其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中的自擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并采用了文獻(xiàn)報(bào)道的根據(jù)第一原理計(jì)算的晶格常數(shù)對(duì)部分純組元在Fcc_A1、Bcc_A2、Hcp_A3結(jié)構(gòu)中的自擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，初步確定了焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)中純組元的原子移動(dòng)能力參數(shù)；根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)對(duì)Sn

9、-Ag-Cu-Au系的各二元系的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了良好的一致性。 (4)舉例介紹了無(wú)鉛焊料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)在無(wú)鉛焊料設(shè)計(jì)、焊料與基板界面反應(yīng)的預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用。在本研究中利用熱力學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)了Bi-Ag-Ni共晶成分的高溫?zé)o鉛焊料，組織觀察和熔點(diǎn)測(cè)定結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了良好的一致性。利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究了Bi-Ag-Ni焊料與Ni基板的界面反應(yīng)。同時(shí)介紹了無(wú)鉛焊料動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)在焊料的擴(kuò)散偶