部分無鉛焊料體系的熱力學與動力學研究.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對人類的身體健康和環(huán)境造成極大的危害。這一問題已經(jīng)引起歐美、日本及我國政府的高度重視，并已制定出多項政策來限制含鉛焊接材料的使用。無鉛焊料的研究已是電子封裝領(lǐng)域研究的熱點之一。經(jīng)過近十年有關(guān)無鉛焊料的研究表明，無鉛焊接材料不可能是簡單的二元合金，而是由多元素構(gòu)成的多元合金。目前在研究和開發(fā)該材料的過程中，主要是嘗試研究法，這消耗了大量的人力和物力。相圖熱力學與動力學計算

2、在材料的研究設(shè)計方面具有重要的指導作用，并且成為研究比較活躍的領(lǐng)域之一。無鉛焊料熱力學數(shù)據(jù)庫和動力學數(shù)據(jù)庫的建立可以減少大量的無鉛焊料設(shè)計過程中的實驗、減小設(shè)計開發(fā)成本，并且為界面反應(yīng)研究提供了一個很有效的工具。 本研究的主要工作是完善已有的無鉛焊料設(shè)計系統(tǒng)和初步建立無鉛焊料動力學數(shù)據(jù)庫。本研究利用電子探針(EPMA：electron probe micro-analyzer)通過合金法和擴散偶法對部分無鉛焊料三元系相平衡進行了

3、實驗測定；利用差示掃描量熱分析(DSC：differential scanning calorimetry)測定了部分相變溫度；利用相圖計算的CALPHAD(calculation of phase diagrams)方法對無鉛焊料部分二元和三元系的相圖進行熱力學計算，獲得整個體系較為精確的相圖和合理的熱力學參數(shù)，從而完善無鉛焊接材料熱力學數(shù)據(jù)庫。同時，利用DICTRA軟件對純組元和部分二元系的動力學參數(shù)進行優(yōu)化，初步建立無鉛焊接材料動

4、力學數(shù)據(jù)庫。本研究的主要內(nèi)容如下： (1)基于合金法和擴散偶法實驗方法，(a)測定了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三元系有一個三元金屬間化合物(())，該()相300℃時固溶度范圍為Sn12.2Au48.8Bi39到Sn13Au49Bi38(at.％)

5、，熔點為312.7℃。X-射線衍射分析表明()相的空間群為P63/mmc，具有和AuSn相類似的結(jié)構(gòu)；(c)測定了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NiBi

6、+fcc(Cu)+fcc(Ni)的三相平衡區(qū)；(e)測定了Bi-Ni-Zn體系在300℃、500℃和700℃的相平衡；(f)測定了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，而是一個固溶范圍較大的Ni3Sn4相。 (2)利用CALPHAD方法，根據(jù)本研究測定的實驗數(shù)據(jù)和文獻報道的實驗數(shù)據(jù)，(a)對Sn-Ni、Sn-Ag-Au、Sn-Ag-Ni、Sn-Au-Bi、Ag-Bi-Ni、C

7、u-Bi-Ni等體系相圖進行了熱力學計算，其結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合的較好；(b)對Sn-Cu-Ni和Sn-Au-Cu三元系相圖進行了初步的熱力學計算，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本是一致的，但計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在一定偏差，熱力學參數(shù)還需要進一步的優(yōu)化；(c)利用二元系熱力學參數(shù)外推計算了Sn-Bi-Ni和Bi-Ni-Zn三元系等溫截面相圖，計算結(jié)果與本研究的實驗數(shù)據(jù)吻合的很好；(d)對Ag-Cu-Ni、Ag-Au-Cu、Ag-Au-Ni、Au-C

8、u-Ni三元系相圖進行了熱力學計算，計算結(jié)果與文獻報道的實驗數(shù)據(jù)吻合的比較好。 (3)利用：DICTRA軟件，根據(jù)文獻報道的數(shù)據(jù)對Sn、Ag、Cu、Ni、Au、In、Sb、Zn、Pb等純組元在其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中的自擴散系數(shù)進行了優(yōu)化，并采用了文獻報道的根據(jù)第一原理計算的晶格常數(shù)對部分純組元在Fcc_A1、Bcc_A2、Hcp_A3結(jié)構(gòu)中的自擴散系數(shù)進行了計算，初步確定了焊接材料數(shù)據(jù)庫中純組元的原子移動能力參數(shù)；根據(jù)文獻報道的數(shù)據(jù)對Sn

9、-Ag-Cu-Au系的各二元系的動力學參數(shù)進行了優(yōu)化，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)取得了良好的一致性。 (4)舉例介紹了無鉛焊料熱力學數(shù)據(jù)庫在無鉛焊料設(shè)計、焊料與基板界面反應(yīng)的預(yù)測方面的應(yīng)用。在本研究中利用熱力學計算設(shè)計了Bi-Ag-Ni共晶成分的高溫無鉛焊料，組織觀察和熔點測定結(jié)果表明計算結(jié)果與實驗結(jié)果取得了良好的一致性。利用熱力學數(shù)據(jù)計算和實驗研究了Bi-Ag-Ni焊料與Ni基板的界面反應(yīng)。同時介紹了無鉛焊料動力學數(shù)據(jù)庫在焊料的擴散偶