稀土元素对snagcu体系和snbiag体系无铅焊料组织、性能和界面的影响

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1、中南大学硕士学位论文摘要SnPb焊料以其低成本，易操作，低熔点，延展性和对各种基板有良好的润湿性被广泛应用于电子封装工业中。由于含Pb产品对环境和健康带来的不利影响，因此对无铅焊料展开了广泛的研究。可替换SnPb焊料的合金需要在满足环保和规章要求下获得更好的可靠性及力学性能。SnAgCu系焊料合金是公认的最有可能替代SnPb焊料的无铅焊料。SnBi共晶合金焊料被认为是一种有用的低温焊料。且用于组装主机有20多年，Sn基合金焊料中Bi的加入可降低熔点，促进焊料与电极润湿，提供合金强度。本文选择目前在无

2、铅焊料领域中较为看好的Sn3．0A90．5Cu焊料合金和Sn57BilAg焊料合金为研究对象，通过添加微量的稀土元素Ce、Er、Y、Sc以期改善焊料合金的组织、润湿性、物理性能及力学性能，满足电子封装行业对无铅焊料的使用要求。研究结果如下：稀土对Sn3．0A。gO．5Cu和Sn57BilAg焊料合金的导电性、腐蚀性及熔点影响不大，使得合金的熔化区间降低；微量稀土元素能明显提高焊料的铺展面积，使合金润湿性有所改善；随着稀土含量的增加，组织细化，这使得合金的强度和延伸率都得到提高。在SrO．0A90．5

3、Cu焊料合金体系中，稀土的最佳添加范围在0．05-4)．25wt．％之间；而在Sn57BilAg合金体系中，稀土的最佳添加范围在0．25--0．5wt．％之间。比较四种稀土元素对焊料合金性能的影响，测试结果表明，稀土Ce可以更好的改善焊料合金的综合性能，Er次之，Y和Sc的作用不明显。焊接过程中，焊料合金与基底材料在界面处发生反应生成金属间化合物(IMC)。通过焊料与基底材料的反应而形成的金属间化合物薄层，它可以实现焊料和基板之间优良的冶金结合。然而，由于金属问化合物过度生长，金属间化合物的脆性和物

4、理性能如热扩散系数和弹性模量的不匹配，过厚的金属间化合物层就会降低界面力学性能的完整性，有必要了解界面反应的动力学控制因素。因此本文还研究了在Sn3．0A90．5Cu焊料合金和Sn57BilAg焊料合金分别添加0．10wt．％稀土元素后与铜基板在钎焊后以及在恒温时效后，焊点的基体组织、界面组织的演变规律以及界面金属间化合物的形成行为。研究结果如下：1)时效对于Sn3．0A90．5Cu／Cu焊点和Sn57BilAg／Cu焊点的基体中南大学硕士学位论文摘要组织和界面组织中的金属间化合物的形成及生长有着显

5、著的影响。随着时效时间的增加，基体组织粗大，金属间化合物数量增多，尺寸增大，添加稀土元素可以抑制基体中的金属问化合物生成和粗化。2)Sn3．0A90．5Cu／Cu焊点界面处最初形成的金属间化合物层是Cu6Sn5，随着时效时间的增加，Cu6Sn5化合物从最初的扇贝形状向平整形状转变。时效5天后，在焊料中都发现有平整的Cu3Sn层的生成。而Sn57BilAg／Cu焊点界面在时效过程中只出现一层Cu6Sn5金属间化合物。界面金属间化合物的厚度随时效时间的增加而增加。添加稀土元素可以抑止界面金属间化合物的生

6、长。稀土元素Ce的作用最为明显，可以更好的改善焊点的可靠性能。3)界面处金属间化合物层的生长是由扩散机制控制的，厚度的增加可由公式表达，y兰舻～。该扩散过程取决于Cu和Sn原子的扩散，添加稀土元素可以抑制Sn原子的扩散，从而降低了界面金属问化合物的生长速率，为提高焊点可靠性能提供了一条新的途径。关键词：无铅焊料，稀土元素，性能，组织，界面，金属间化合物II中南大学硕士学位论文ABSTRACTSnPbsoldershavebeenwidelyusedinelectronicpackagingindus

7、try．Thissolderandthealloysdevelopedwithithavelongprovidedandcontinuetoprovidemanybenefits，suchaslowcost，easeofhandling，lowmeltingtemperatures，ductility，andexcellentwettingonseveralsubstrates．However，infespectofenvironmentalandhealthconcerns，withtheever

8、-increasingawarenessofthetoxicityoflcad，significantpressurehasbeenputontheelectronicsindustrytogetthePb-fleesolder．SnAgCualloysareexpectedtobeoneofthemostreliablelcad．freesolders．SnBieutecticsoldersalloyisknowntobeausefullow-temperature