两种sn基无铅焊料的焊点界面反应及扩散行为研究

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1、上海大学硕士学位论文摘要Sn基无铅焊料在应用过程中的一个典型问题是因含Sn量高达90％以上所致的Sn与Cu基板的快速界面反应而生成过厚的Cu．Sn金属间化合物(IMC)，过厚的IMC会劣化焊点机械和热疲劳性能，降低电子产品的可靠性。本文以新型Sn．0．4Co．0．7Cu焊料和商业化Sn-3．0Ag．0．5Cu焊料作为研究对象，以自主研制的实验室焊点制备平台模拟实际生产的回流焊点，藉单轴拉伸试验、SEM／EDS和XRD分析等，通过对焊点在85"C、120℃、150℃三种温度下分别时效Oh，24h，168h，500h，1000

2、h的焊点的界面拉伸强度、IMC的成分和结构、IMC的厚度以及其生长动力学等的研究，为Sn．0．4Co．0．7Cu焊料的开发应用和无铅焊点可靠性设计提供实验依据，得出如下成果：自主研制的实验室焊点制备平台不仅可获得不同尺寸的焊点，而且可显著降低实验室研究的成本。总体而言，同等时效条件下Cu／Sn-3．0Ag．0．5Cu／Cu焊点的拉伸性能略优于Cu／Sn．0．4Co．0．7Cu／Cu焊点。相同温度时，两种焊点的抗拉强度都随时效时间的延长而呈指数关系下降，且塑性变形能力逐渐降低；相同时效时间条件下，时效温度的升高会导致两种焊点

3、的抗拉强度呈线性关系下降，但下降速率趋缓。时效温度升高和时效时间延长导致焊点的起裂点由Solder／IMC界面向1MC／IMC界面转移，断裂机理从以韧性断裂为主发展为完全的脆性断裂模式。钎焊过程中Solder／Cu界面形成的IMC的生长受反应扩散的控制，生长速度较快；随时效时间延长，IMC层厚度不断增加，其生长过程逐渐转变为受晶界扩散和体扩散控制，生长速度变慢。在150"C高温时效条件下Sn-3．0Ag-0．5Cu焊点界面IMC分层明显，且离散分布着Kirkendall孑L洞，500小时时效后的半焊点结构为Cu／Cu3Sn

4、／Cu6Sn5／Solder；Sn．0．4Co．0．7Cu的半焊点结构为Cu／Cu6Sn5／Solder，无明显分层，基体内的IMC主要为三元(Co，Cu)Sn2和(Cu，Co)6Sn5相。两种焊点界面的IMC生长厚度及生长速率与时效时间的平方根√^成正比，其中Sn．0．4Co．0．7Cu焊点界面的IMC生长对时效时间更为敏感。Sn．3．0Ag一0．5Cu和Sn．0．4Co．0．7Cu两种焊点界面IMC生长(扩散)扩散激活能分别为14167．8J／rnol和2996．85J／mol。上海大学硕士学位论文关键词：Sn-3．0

5、Ag一0．5Cu焊料；Sn．0．4Co．0．7Cu焊料；金属间化合物；界面反应扩散；时效；拉伸断裂。IV上海大学硕士学位论文AbstractThesolderswithoutleadhavebecomethetendencyoftheelectronicpackagingmaterials．Atpresent，mostoflead-freesoldersareSn-basedbinaryorternaryalloyswithaddingnon-toxicandnon-volatileelements，suchasAg，Zn

6、,Cu，Bi，InandthenewestCowhichisuser-defined．Butonetypicalquestionintheapplicationprocessoflead-fleesoldersisthethjckCu—Snintermetalliccompounds(IMCs)formedduetotherapidreactbetweenSnfromtheSn-basedlead—freesolders(Snconcentrationabove90％)andthetraditionalCusubstrat

7、e．AndⅡ1iCkCu-SnIMCsmayreducethemechanicalandthethermalfatigueperformancesofelectronicproducts，andcorrespondinglyreducetheservicelifeoftheproducts．SoinordertostudythemicrostructureoftheIMCandhowthespeedofIMCgrowtheffectsthejoints’tensilestrength．theSEM／EDSandXRDwer

8、eusedinthisresearchtocomparethetwostylesolderbutt-jointssamplesofnewSn-0．4Co-0．7CusolderandtheusualSn-3．0Ag-0．5Cusolderwhichweremadebytheself-designedsi