snagcubi系无铅焊料的开发及其焊点界面行为的研究

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1、哈尔滨理丁大学丁学颐卜学位论文SnAgCuBi系无铅焊料的开发及其焊点界面行为的研究摘要出于保护环境和保护人类自身健康的要求，电子产品的无铅化已经是～个不可逆转的大趋势。而且随着高密度封装与组装技术的发展，Sn．Pb焊料必须被替代。目前Sn．Ag．Cu三元共晶焊料被认力是最有可能替代sn．Pb的合金，但还存在熔点太高，润湿性不良，焊点可靠性不稳定等问题，因此有必要继续从理论和实践两方面对其进行添加新的合金元素，优化合金性能。接头的界面行为对焊点的可靠性影响很大，因此通过研究焊接过程和服役过程中接头界面的反应及界面的微观组织情况对无铅

2、焊料进行考察是必不可少的一个步骤。此外，作为研究手段，相图计算对于优化无铅焊料合金成分，设计理想的焊接界面具有十分重要的意义。本文针对电子组装行业的发展要求，借助于Thermo．Cale热力学计算软件，结合相图计算的方法，初步设计出一种熔点更低的无铅焊料合金，并对其进行了基本的理论、实验研究和评价。对Sn-Ag．Cu三元合金系添加Bi元素后，新四元焊料合金的化学成分被初步计算为Sn．3．0Ag．0．5Cu．4．5Bi，从其具有相对较低的熔化温度(21l～2120C)方面来看，它更适合于作为表面贴装应用中的Sn．37Pb的替代品，并且

3、熔化温度区间也符合实际工艺要求。通过理论上采用Scheil模型模拟液态焊料的快速凝固过程和对合金组织的实验观察：Sn．3．0Ag．0．5Cu．4．5Bi组织组成物中，A93Sn大多数为纤维状和针状，少量片状或粒状的Cu6Sn5分布比较分散，在化合物较密集区A93Sn、Cu6Sn5多呈颗粒状分布；白色的块状析出相单质Bi相对细小且析出区域集中，在凝固组织中同时起到固溶强化和弥散强化的作用。与Sn-Ag．Cu共晶焊料相比，经合金化设计的焊料基体组织晶粒相对细小。分别采用手工电烙铁焊接和浸焊工艺，得到Sn一3．5Ag、Sn一3．8Ag一0

4、．7Cu、Sn-3．0Ag．0．5Cu-4．5Bi三种焊料与Cu焊盘反应所形成的焊接接头。其界面处的金属问化合物均由Cu6Sn5、Cu3Sn构成。未经时效的接头只观察到了Cu6Sns，经过125℃，100h的老化试验之后，在靠近Cu焊盘一侧又发哈尔滓理T大学T学硕十学付论文现了薄薄的一层Cu3Sn。时效过程中原本弥散分布在焊料中的单质Bi颗粒会在靠近Sn．3．0Ag．0．5Cu．4．5Bi／Cu界面处发生聚集现象并粗化。随着时效时间的增加，接头界面处金属问化合物逐渐趋于连续和平缓，化合物层厚度增加。同等时效条件下，sn．3．0Ag．

5、0．5Cu-4．5Bi合金焊接接头界面处化合物层的厚度要小于sn．3．0Ag．0．5Cu合金，但是单质Bi本身的脆性可能会使接头的延展性变差。依据局部平衡理论，在已有的热力学数据基础上经过亚稳相图的计算，通过比较各个金属问化合物形成驱动力的大小，理论预测Sn．3．5Ag、Sn-3．8Ag．0．7Cu焊料与Cu焊盘在润湿反市

6、I寸中间相的生成序列：cu6sn5一Cu3sn。由于重熔时间较短，实验中只观察到Cu6Sn5，并不违背计算的结果。同理预测出500K润湿反应过程中Sn．37Pb／Ni界面处金属问化合物的形成序列：Ni3Sn4一N

7、i3Sn2一Ni3Sn。从时效温度下的等温截面相图可知Sn．37Pb／Ni焊点时效过程中Ni向固态钎料中的溶解将也会导致先析出相Ni3Sn4的继续生成和长大。Ni3Sn4的长大速率要远远小于Cu．Sn化合物的生长速率，从而作为扩散阻挡层，Ni能有效地抑制界面处金属『日】化合物的长大。计算结果与本文中和已有的的实验结论吻合较好。相图计算为确定合适的无铅焊料合金成分提供了理论指导。在热力学和动力学数据库的基础上，通过系统界面反应的计算和预测，还为避免反应中有害相的生成和为焊接、热处理温度等工艺参数的正确选择提供了理论依据。关键词无铅焊料

8、；合金设计；热力学相图计算；接头界面反应；金属问化合物．n．坠尘兰矍：奎兰三兰竺：兰竺丝三SnAgCuBi-SOLDERALLOYDEVELOPMENTANDITSJOINTINTEREACIALBEHAVIORSTUDYAbstractDuetoincreasingenvironmentandhealthconcernsovertheuseoflcad，Pb-freeelectronicmanufacturetendstobeunreverscdinfuture，andwiththedevelopmentofhighdensity

9、packagingandassemblytechnology,Sn·Pbsolderalloysmustbereplayedbyotheralloysthatwithperfectcomprehensiveproperties．Ag—