无铅焊料与基材ni界面反应的研究及aupbsn三元系热力学优化

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1、摘要从多数电子器件的失效来看，焊接界面(焊点)的失效是主要原因。这就要求焊点不仅具有优良的电、热性能，优异的机械性能(如抗拉强度，抗蠕变强度及抗热循环疲劳强度等)，而且焊接界面显微组织应具有良好的稳定性(包括界面产物的形成与长大、产物形貌变化等)。研究表明，焊料与基材之间的界面显微组织对焊点的机械性能有着决定性的作用。因此，研究焊料与基材之间的界面组织演化(如反应历程、产物长大等)进而预测与控制焊接区域的成分与显微组织演变具有重要理论意义和实际应用价值。Sn_Pb合金焊料以其优异的性能和低廉的成本，广泛地用于电子工业领域中，但是由于环境

2、污染、法律限制和科技发展等因素使得人们必须寻找新型高性能的无铅焊料。目前最有应用前景和希望替代sn_Pb合金焊料的无铅焊料是Sn基合金，主要包括sn_Ag基合金、Sn-Bi基合金、Sn_hl基合金等。金属Ni通常作为UBM层电镀在待焊接的电子器件上。本文从焊料与基材的相平衡关系和微观组织演变等角度对无铅焊料与基体的界面反应进行研究：1．实验研究在423K下不同成分sn-Bi合金与基材Ni的界面反应。采用相图计算(CALPHAD)方法，结合金相、扫描电子显微镜、电子探针等检测手段，从反应热力学、扩散动力学等方面分析和解释sn-Bi合金与基

3、材Ni界面反应的机理。2．利用相图计算(cALPHAD)方法，在前人评估工作的基础上，采用亚点阵模型重新优化和计算了Ni—sn二元系，得到一组合理的热力学参数。在此基础上，利用最大形核驱动力模型预测纯Sn与基材Ni间界面反应中间化合物相生成的序列。3．利用相图计算(CALPHAD)方法，系统地收集、整理和评估现有热力学和相图数据，统一采用最新的晶格稳定性参数，优化计算Au—Pb二元系，得到一组合理的热力学参数，并结合Am—sn，Pb—sn的热力学数据外推计算ArPb—Sn三元系。在此基础上计算了等温截面和垂直截面，其中垂直界面的液相线与

4、实验数据吻合的很好。关键词无铅焊料，相图计算，界面反应，Au—Pb—Sn三元系ABSTRACTFailureofmejoimisoneofthemainreasonsoffailureofsemiconductordevices，whilethemicrosmlctureoftllejointcan铲eatly硼uenceitsperfomaIlce．somallysmdiesoftlleimerf如ialreactionbet、veensolderandsubs仃ateduringbothmepfocessofsoldcring锄ds

5、en，iceofⅡledeVicearehelpfhltodesi鲫ofsoldercomposition，s01de血gpmcess，predictionalldcomrolOftllemicros仇1ctIlreoftheinterf她ea11dforec邪tingofnlelifeofsemiconductorde“ces．Lead硝nsolderalloysllavebeen、)l，idelyllsediIlthemodemelec仃onicsindllstrybecausetheirlowmeltingpoints，goodw

6、ettabili劬goodcorrosionresis胁ceandreaSonableelectricalconductiVi够HoweVer’duetoincreasingenviro姗emalandhealtllconcems锄dlegislationrestrictionovertheuseoflead，manydi航remsolderalloyshaVebeenpmposedaspotentialPb—fkesoldercandidatesandthemostpromisingPb一丘eesoIdersfallintomeSn-

7、b嬲edalloys，forinstaIlce，Sn—Agalloys，Sn—BialloysandSn-Inalloys．Nicoatsareo缸nplated船anUnderB砌pM删lurgy(UBM)layeronulcsubs仃atebeforethcelectroniccomponentsaresoldcred．111esubjectofthisworkist0studytheimerfkebetwcensoldera11dsubs仃ate丘omtheph船eequilibriainfomationandmicrostnlc

8、tIlreeV01ution：1．Theime以cialreactionsbetweendifr如ntcompositionSn-Bialloys锄dNisubstratcat423Kfordi丘毫rent