稀土Ce对Sn-Ag-Cu和Sn-Cu-Ni钎料性能及焊点可靠性影响的研究

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1、南京航空航天大学博士学位论文摘要为适应电子、家电等行业满足RoHS指令的需要，迫切需要研制开发可替代Sn-Pb钎料的无铅钎料。研究无铅钎料的目的，不只是简单地提供一种替代品，还需要考虑无铅钎料的力学性能、钎焊性能及焊点可靠性能够与传统的Sn-Pb钎料相近、钎焊设备与工艺尽量改动不大等因素，因此开展无铅钎料的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。本文根据电子工业无铅钎料发展的需要和生产工艺的特点，研究了稀土元素Ce对两种最具代表性的Sn-3.8Ag-0.7Cu和Sn-0.5Cu-0.05Ni无铅钎料合金组织、性能及焊点可靠性的影响。本文首先研究了Sn-Ag-Cu-Ce与Sn-Cu-Ni-Ce无铅

2、钎料的物理性能、润湿与铺展性能。研究结果表明，Sn-Ag-Cu-Ce与Sn-Cu-Ni-Ce钎料具有比传统的Sn-Pb钎料更好的导电性能和密度，尽管熔化温度比Sn-Pb钎料稍高，但是都在现有钎焊工艺可接受的范围之内。钎料的润湿、铺展试验结果表明，Sn-Ag-Cu-Ce和Sn-Cu-Ni-Ce无铅钎料在Au/Ni/Cu基板上均比在Cu基板上具有更好的润湿性能。采用N2保护钎焊，可降低钎料周围的氧浓度，使得基板表面难以迅速形成新的氧化膜，因而在240℃~280℃范围内钎料的润湿性能均得到了显著的提高，在相同温度与相同基板的条件下，采用N2保护可使钎料润湿时间缩短10%~45%，润湿力也得到大幅提高

3、。研究发现：添加微量的Ce元素，可使Sn-Ag-Cu与Sn-Cu-Ni钎料的润湿、铺展性能有显著的提高，钎料在基板上的铺展面积增大，润湿时间缩短，润湿力提高，润湿角减小。Ce的添加量在0.03%~0.05%左右时，Sn-Ag-Cu-Ce钎料的润湿铺展性能最佳，其润湿时间比未添加Ce的Sn-Ag-Cu钎料缩短了20%~40%；对于Sn-Cu-Ni-Ce钎料来说，Ce的添加量在0.05~0.07%左右时，润湿铺展性能最好，润湿时间比Sn-Cu-Ni钎料缩短了15%~40%。研究发现，Ce是表面活性元素，在Sn-Ag-Cu钎料和Sn-Cu-Ni钎料表面均有富集现象，Ce的表面富集降低了熔融钎料的表面

4、张力，有效地提高了无铅钎料的润湿、铺展性能。焊点力学性能试验结果表明，不管对于Sn-Ag-Cu还是Sn-Cu-Ni钎料，Ce的添加都将提高其QFP引脚焊点的拉伸力和片式电阻焊点的剪切力。当Ce含量在0.03%左右时，Sn-Ag-Cu-Ce焊点的力学性能最佳。对于QFP32、QFP100和片式电阻三种电子元器件，Sn-Ag-Cu-0.03Ce焊点的拉伸力（剪切力）值分别比Sn-Ag-Cu焊点提高了4.56%、4.06%与3.81%；对于Sn-Cu-Ni-Ce钎料来说，Ce的最佳添加量是在0.05%左右，此时，Sn-Cu-Ni-0.05Ce焊点的拉伸力（剪切力）值分别比Sn-Cu-Ni焊点提高了7

5、.60%、5.12%与3.52%。理论分析表明，由于稀土元素Ce具有“亲Sn”效应，即Ce元素优先与Sn元素结合，因此，Ce的添加可使钎料合金以及焊点的组织细化、均匀化，可以有效地避免Sn元素与Ag元素结合生成粗大的Ag3Sn金属间化合物，从而提高了焊点的力学性能。I稀土Ce对Sn-Ag-Cu和Sn-Cu-Ni钎料性能及焊点可靠性影响的研究对QFP引脚无铅焊点和片式电阻无铅焊点进行热循环试验（模拟焊点的实际服役情况）结果发现，在经历了长时间热循环试验后，焊点力学性能随着热循环周期的增加而逐渐降低，而微量稀土元素Ce的加入可以延缓焊点力学性能的恶化，从而有效地提高焊点的可靠性。比较经过2000周

6、期热循环之后的焊点力学性能变化情况发现，QFP32、QFP100和片式电阻三种电子元器件的Sn-Ag-Cu-0.03Ce焊点的拉伸力（剪切力）分别比Sn-Ag-Cu焊点高出14.29%、12.06%与10.31%，比Sn-Pb焊点分别高出51.01%、28.16%与41.87%；Sn-Cu-Ni-0.05Ce焊点的拉伸力（剪切力）值分别比Sn-Cu-Ni焊点高出18.71%、12.27%与14.03%，比Sn-Pb焊点分别高出24.56%、17.29%与25.78%，说明Ce元素的加入对提高无铅焊点的可靠性效果显著。在经历长时间的热循环试验过程中，微量的Ce可有效抑制Sn-Ag-Cu-Ce/C

7、u界面处Cu6Sn5金属间化合物的长大，并抑制粗大Ag3Sn金属间化合物的增加。QFP引脚无铅焊点的拉伸断口形貌表明，在长时间热循环条件下，Sn-Ag-Cu焊点表现出较明显的疲劳特征，而微量Ce元素的添加有助于减弱热循环对无铅焊点可靠性的不利影响。在Sn-Cu-Ni-Ce无铅焊点中，0.05%左右的Ce含量对界面处金属间化合物的抑制作用最为显著。为了研究金属间化合物与无铅焊点力学性能之间的关系，采