无铅焊料铜焊点微观组织与力学性能研究

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1、中国科学技术大学博士学位论又无铅焊料／铜焊点微观组织与力学性能研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：杨林梅材料物理与化学张哲峰研究员二O一四年五月UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor，SdegreeInvestagationsonmiCrOStrUCtUreSandmechanicalpropertiesoflead·freesolder／CujointsAuthor’SName：speciality：^-Supervisor：11●O●●F。lnlshedtime：LinmeiY

2、angMaterialsPhysicsandChemistryProf．ZhefengZhang一May，2014无铅焊料，铜焊点微观组织与力学性能研究杨林梅中国科学技术大学中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有

3、权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(年)作者签名：签字日期：导师签名：签字日期：摘要焊点不仅为电子元器件提供机械连接，而且是电流通道，其可靠性对电子整机的正常运转具有重要作用，焊点的力学性能与焊点内部组织密切相关，同时受加载条件影响。本文设计了一系列试验方法，研究了无铅焊料／铜焊点的微观组织演化规律，揭示了焊点在多

4、种加载方式下的变形、损伤与破坏行为，分析了影响焊点可靠性的因素。采用扫描电子显微镜和原位拉伸台相结合的方法，跟踪观测了Sn3Cu／Cu焊点的拉伸和剪切变形行为。在拉伸过程中，界面化合物附近应力集中最为严重，微裂纹往往在Cu6Sns／Sn界面附近萌生并沿一定角度向焊料内部扩展，最后断裂发生在Cu6Sn5／焊料界面附近。剪切过程中，焊点的边角处最先开裂，剪切变形过程中观察到晶粒的转动和细化破碎。通过进行Sn3Cu／Cu焊点几何尺寸与剪切强度关系实验，结合剪切过程原位观察结果和强度理论，提出了焊点剪切强度与几何尺寸之间的关系式，焊点的剪切强度不仅与焊料本身的性能有关，还与焊点内

5、焊料高度与宽度之比有关，随着焊点高宽比的减小，剪切强度增大，断裂模式逐渐由Sn的韧性断裂过渡为包含Sn的韧性断裂和Cu6Sn5的脆性断裂的混合断裂。通过改变回流时间、冷却速度和时效处理等方法获得了Sn3A90．5Cu／Cu焊点不同形貌的微观组织，研究了金属间化合物的生长行为以及微观组织与加载速率对焊点强度的影响。Sn3A90．5Cu焊点的微观组织主要包括焊接界面的金属间化合物层、焊料中的D．Sn树枝晶以及分布于p．Sn枝晶之间的AgaSn化合物和Cu6Sn5化合物。界面化合物层Cu6Sn5的厚度和粒径与回流时间的立方根成正比，时效处理后界面化合物层Cu6Sn5的厚度增加，

6、晶粒间隙明显减小。回流态组织中A93Sn化合物呈颗粒状或树枝状形貌，AgaSn化合物总体呈网络状均匀分布在焊料内部，而经历高温时效后，网络状的分布状态被打破，A93Sn化合物演化成粗棒状形貌。界面化合物层形成于回流过程中，而焊料内部的金属间化合物主要形成于凝固过程中。回流过程中界面Cu6Sn5的形成伴随着Sn的消耗，Sn3A90．5Cu焊料内出现局部的富Cu区和富Ag区，凝固过程中焊料内部富Cu区出现Cu6Sn5化合物的形核与长大，富Ag区内A93Sn化合物形核长大。降低冷却速率，A93Sn化合物的尺寸增大，其形貌由树枝状演化为薄板状，但仍保持网络状分布状态。低应变速率条

7、件下，焊点的抗拉强度主要由焊料决定，焊点在变形过程中应变主要由p．Sn承担，A93Sn起到强化作用，高温时效后，D．Sn晶粒粗化长大，A93Sn的网络状分布状态被打破，且A93Sn化合物的尺寸形貌明显改变，阻碍位错运动的强化作用大大减弱，使得焊点的强度降低。T摘要加载速率能够影响焊点的抗拉强度和断裂模式，提高加载速率，焊点抗拉强度增大，Sn3A90．5Cu／Cu焊点的断裂模式由韧性断裂逐渐向韧性断裂和脆性断裂相混合的断裂模式转变。在热疲劳过程中，焊点的可靠性与焊料组织、界面化合物层厚度和应力加载方式有关，回流态焊点内13-Sn