3D封装用Cu/Sn/Cu焊点的组织与剪切性能研究

研究了250℃温度,不同键合时间对Cu/Sn/Cu焊点的界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)生长行为及剪切性能的影响。结果表明:键合时间由30 min增加到120 min,Cu/Sn/Cu焊点界面IMC的厚度逐渐变厚。当键合时间为30 min时,焊点界面IMC厚度为12. 8μm。随着时间增加到120 min,焊点中的液相Sn消耗殆尽,形成了全IMC。在Cu/Sn/Cu焊点中,发现焊点两端界面IMC呈现非对称生长。键合时间为30 min时,焊点界面Cu_3Sn的厚度分别为1. 73μm(冷端)和0. 95μm(热端),冷端IMC的增长速率明显高于热端,主要原因归结于温度梯度。通过对焊点界面IMC进行电子背散射衍射(EBSD)分析,发现存在的大块晶粒组织为Cu_6Sn_5,而Cu_3Sn的晶粒相对较小。根据横截面方向(transverse direction,TD)反极图显示,Cu_6Sn_5的晶粒取向多平行于[001]与[111]之间。此外,随着键合时间的增加,焊点的剪切强度不断增加,当键合时间为120 min时,焊点的剪切强度由8. 5 MPa增加到18. 6 MPa,焊点的断裂模式由初始的混合断裂逐渐转变为脆性断裂。     

回流次数对Au80Sn20/Cu焊点显微组织及剪切性能的影响

采用回流焊接技术制备Au80Sn20/Cu焊点,研究其显微组织和剪切强度随回流焊接工艺参数之间的演变规律。结果表明:在焊接温度为310℃时,焊点界面处形成的(Au,Cu)5Sn金属间化合物(IMC)层随回流次数增加而增厚;IMC形貌由层状转变为扇贝状,最后成长为胞状;焊点剪切强度随回流次数增加而下降,回流1次后剪切强度为82.94 MPa,回流20次后下降至54.33 MPa;且回流焊接次数对焊点断口形貌和断裂方式造成影响:1次回流后在Cu/IMC界面发生韧性断裂;而3次和5次回流后断裂面分别出现在焊料中和IMC中,为韧性脆性混合断裂;回流次数超过10次后焊点发生脆性断裂。     

Sn-Bi/Cu焊接接头的剪切性能及界面微观组织分析

通过对断口形貌和界面微观组织的观察分析,研究了3种Sn-Bi/Cu焊接接头的剪切断裂机理.结果表明:3种Sn-Bi/Cu焊接接头均在弹性变形阶段断裂,并且均沿Sn-Bi焊料/Cu基板界面处断裂.孔洞降低了3种Sn-Bi/Cu焊接接头的有效连接面积,从而降低了其剪切强度.根据3种Sn-Bi/Cu焊接接头断口形貌,Sn59.9Bi40Cu 0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu 0.1/Cu焊接接头剪切断裂机制属于准解理、沿晶脆性断裂和韧窝的混合型断裂,而Sn42Bi58/Cu焊接接头剪切断裂机制属于准解理断裂.微观组织分析显示,3种焊料合金焊接接头界面处的金属间化合物层均为连续的Cu6Sn5相.     

Sn1.0Ag0.5Cu和Sn3.0Ag0.5Cu钎料组织与性能对比研究

Sn3.0Ag0.5Cu无铅钎料已广泛应用于电子封装中,但是与传统的Sn Pb钎料相比,其抗冲击能力相对较差,且成本远远高于锡铅钎料。因此,为了改善抗冲击性能,降低钎料的成本,低银型无铅钎料成为研究热点。本文对比分析了Sn1.0Ag0.5Cu和Sn3.0Ag0.5Cu两种无铅钎料的润湿性及力学性能,同时研究了焊后和高温时效300 h后两种钎料焊点的显微组织。结果表明:随着Ag含量的增加,钎料的铺展面积显著增加,不同钎焊温度条件下,钎料的铺展面积随着钎焊温度的升高而明显增大。Sn3.0Ag0.5Cu钎料焊点的拉伸力和剪切力也明显高于Sn1.0Ag0.5Cu钎料,但随着时效时间的增加,高银型钎料的力学性能下降速度略高于低银型钎料。焊后两种钎料对应界面层为Cu6Sn5,经150℃时效300 h,界面金属间化合物的厚度随着时效时间的增加而增加。同时,界面层随着Ag含量的增加而增厚。     

微量Ge对Sn-0.7Cu高温钎焊界面组织的影响

测试了Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.012Ge钎料在不同钎焊温度下的润湿性,研究了Ge元素对老化过程中钎焊界面金属间化合物(IMC)层生长速率的影响。结果表明:2种钎料的润湿性相差不大,但添加了Ge元素的Sn-0.7Cu-0.012Ge钎料在不同钎焊温度下的漫流性得到了明显的改善,相应提高了约4.00%~5.00%;250℃和350℃钎焊温度下,Sn-0.7Cu/Cu钎焊界面IMC在150℃的老化条件下的生长速率分别为3.24×10-18m2/s和2.50×10-17m2/s,Sn-0.7Cu-0.012Ge/Cu钎焊界面IMC的生长速率分别为2.66×10-18m2/s和1.48×10-17m2/s。Ge元素在钎焊界面处富集,提高了界面IMC的致密性,阻碍了原子的扩散,在一定程度上抑制了界面IMC层的粗化与增厚。     

电子组装用含稀土无铅钎料研究

在电子产品的所有故障原因中,60%以上是由焊点失效所引起,而焊点的可靠性很大程度上取决于钎料的综合性能。因此,本文针对目前广泛应用的Sn3.8Ag0.7Cu(%,质量分数)无铅钎料,研究了添加微量的稀土元素Ce,Yb及Eu对Sn3.8Ag0.7Cu无铅钎料在Cu基板上的润湿性能的影响,同时对比分析了含不同稀土元素焊点的力学性能、微观组织和热疲劳性能。结果表明:添加单一稀土元素Ce,Yb及Eu后,Sn Ag Cu钎料的铺展面积显著增加,焊点的力学性能也得到不同程度的提高,提高幅度分别为12.7%,25.4%和18.0%。稀土元素Ce,Yb及Eu的添加细化了钎料的显微组织,焊点内部的共晶组织均匀分布在β-Sn基体中,且显微组织中的Cu6Sn5和Ag3Sn金属间化合物的尺寸也相应减小,这可能是含稀土Sn Ag Cu无铅焊点的力学性能高于Sn Ag Cu焊点的主要原因。此外,在热循环载荷下,发现稀土元素Ce,Yb及Eu可以显著提高Sn3.8Ag0.7Cu焊点的疲劳寿命。     

回流次数和Ag含量对(Au-20Sn)-xAg/Cu焊接界面组织与剪切强度的影响

以(Au-20Sn)-x Ag(x=0,0.5,1,2)作为焊料,将2块纯铜板进行回流焊接,研究回流次数与焊料中的Ag含量对(Au-20Sn)-Ag/Cu焊接界面的组织与剪切强度的影响。结果表明:一次回流焊接后,焊接界面组织由(Au,Ag,Cu)5Sn组成,回流次数增加到50次时,界面出现Cu Au层,当回流次数增加到100次时,在靠近基板一侧出现Cu3Au层。添加Ag元素可抑制焊接界面金属间化合物层的生长。一次回流焊接的界面剪切强度随焊料中Ag含量增加而逐渐提高,(Au-20Sn)-x Ag/Cu(x=0,0.5,1,2)界面的剪切强度分别为92.14,93.59,95.65和98.43MPa。剪切强度随回流次数增加而降低,降低的幅度随Ag含量增加而减小。     

镧对Sn3.5Ag0.5Cu钎料组织和性能的影响

运用莱卡显微镜、扫描电镜和能谱分析等仪器设备,研究添加微量La对Sn3.5Ag0.5Cu钎料组织性能的影响.结果表明,La能显著细化Sn3.5Ag0.5Cu钎料及其与Cu基体焊合后的IMC的显微组织,钎料剪切强度提高10.9%;键参数函数计算结果表明La具有"亲Sn"倾向,可降低IMC的长大驱动力.     

62Sn36Pb2Ag组装焊点长期贮存界面化合物生长动力学及寿命预测

Sn基合金焊接接头是电子产品不可或缺的关键部位,是实现电子元器件功能化的基础,电子整机失效往往由于焊点的损伤所导致,焊点的寿命预测对电子产品的可靠性研究具有重要意义。金属间化合物（IMC）厚度是衡量焊点质量的重要参数,以IMC层厚度为关键性能退化参数,以62Sn36Pb2Ag组装的小型方块平面封装（QFP）器件焊点为研究对象,采用扫描电子显微镜对在94、120和150 °C三种温度贮存不同时间后的焊点微观形貌进行表征,测量了IMC层的厚度,基于阿伦尼乌斯方程建立了双侧界面金属间化合物生长动力学模型。并以其作为关键性能退化函数,通过对初始IMC厚度进行正态分布拟合获得失效密度函数,进而获得可靠度函数对焊点的长期贮存失效寿命进行了预测。研究结果有望对长期贮存焊点的寿命预测方式提供新的思路,为62Sn36Pb2Ag钎料的可靠应用提供试验和数据支撑。      

Ce对CSP36器件SnAgCu焊点可靠性影响研究

采用有限元法研究了CSP36器件Sn3.8Ag0.7Cu和Sn3.8Ag0.7Cu0.03Ce两种无铅焊点应力-应变响应,研究Ce对无铅焊点可靠性的影响.结果表明,在交变的温度载荷条件下,PCB板呈现明显的翘曲状态,最大应力集中在拐角焊点的上表面,该部位是焊点潜在的裂纹萌生源。SnAgCu焊点的应力-应变明显高于SnAgCuCe焊点,主要是因为第二相颗粒对基体组织位错的定扎的原因。焊点疲劳寿命预测发现CSP36器件SnAgCuCe焊点疲劳寿命明显高于SnAgCu焊点,证明了Ce显著提高CSP36器件SnAgCu焊点的疲劳寿命。     

温度时效对SnAgCuLa/Cu接头金属间化合物层形貌和厚度的影响

SnAgCu系无铅钎料是颇具潜力的SnPb系钎料替代品,但该钎料在钎焊过程中会在钎料/铜基板界面生成具有一定厚度的金属间化合物层。锡基钎料钎焊接头的服役温度一般高于常温,在服役温度下,钎焊接头的金属间化合物(IMC)层的形态和厚度均会发生改变。本实验采用Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料,向其中添加不同量的La(x=0,0.2,0.5),比较各成分钎焊接头常温IMC层厚度,并将不同成分钎料的接头分别在75℃、125℃、160℃温度时效处理24h后,观察界面IMC层的形态并计算尺寸。结果表明,适量La的添加对界面IMC层的生长具有抑制作用;当La的添加量为0.5wt.%,与未添加La时相比,常温条件下,其IMC层厚度下降了41.51%;温度时效后,接头IMC层厚度与时效温度近似呈线性关系,且随着La的增加,其比例系数减小。     

Ce的添加及等温时效对Sn-Ag-Cu钎料及钎焊界面生长行为的影响

研究微量稀土元素Ce在钎焊和等温时效后对Sn-Ag-Cu无铅钎料与铜基板的钎焊界面金属间化合物(IMC)及钎料组织的形成与生长行为的影响。结果表明,微量Ce的添加对钎料微观组织有一定的细化作用,并且对其形貌也有一定的影响。钎焊后钎焊界面区形成连续的笋状Cu_6Sn_5金属间化合物(IMC),在160℃等温时效条件下,随着时效时间的延长,粗糙的Cu_6Sn_5由笋状转变成尺寸较大的扇贝状,再转变成较为平缓的层状。在此过程中,Cu_6Sn_5和铜基板之间逐渐会有Cu3Sn金属间化合物析出,且界面金属间化合物总厚度也是随着时效时间延长而增加。在相同时效条件下,添加0.5%Ce的钎焊界面区IMC层比未添加Ce的IMC层更为平缓和细薄,在钎焊接头Cu_6Sn_5层处可能会有CeSn_3相生成且添加稀土元素Ce对钎焊界面Cu、Sn原子之间的反应扩散均有一定的影响。     

Ga-Ag-Sn液态合金与Cu的结合界面分析

采用真空冶炼法制备了低熔点的Ga-Ag-Sn液态合金，分析了Ga含量与液态合金熔点的关系。利用X射线衍射仪、电子扫描显微镜和能谱等多手段对Ga95.0Ag0.15Sn合金与Cu基体的结合界面进行了分析。结果表明，Ga95.0Ag0.15Sn液态合金能与无氧铜基体发生互扩散，并形成致密且与基体结合良好的Ga-Cu界面层而能起到真空修复作用，界面层的相组成为Cu9Ga4相，Cu41Sn11相和α-（Cu，Sn）相。     

微量Si元素对Sn-0.7Cu钎料组织及钎焊性能的影响

研究了Si元素对Sn-0.7Cu钎料合金钎焊性能的影响。采用感应熔炼工艺制备出Sn-0.7Cu-x Si (x=0,0.1,0.3,0.5,0.75,1.0;%,质量分数)钎料合金,通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计及万能拉伸实验验机等分析测试方法研究了Sn-0.7Cu-x Si钎料微观组织、界面形貌、熔化特性及力学性能。研究结果表明：加入0.1%的Si元素后,晶粒明显细化,共晶相增多,界面层厚度降低,此时硬度及抗拉强度达到最大值(HV_0.025 11.38,37 MPa);随着Si含量的继续增加,Sn-0.7Cu-x Si钎料合金晶粒逐渐粗化,共晶组织减少,同时过量黑色的Si颗粒聚集,界面处化合物层厚度不断增加;钎料的熔点随着Si含量的增加无明显变化,过冷度逐渐降低,当Si元素添加量超过0.5%后趋于稳定,相比于Sn-0.7Cu钎料合金降低了46.5%;Sn-0.7Cu-x Si钎料合金的润湿性随着Si含量的增加先升高后降低,在Si元素含量为0.5%处润湿面积最大(93.71 mm²),显微硬度及剪切强度逐渐降低。     

OSP和Im-Sn镀层对Sn10Sb焊点微观结构和高速剪切性能的影响

Sn10Sb合金具有优良的热疲劳性能和相对较高的断裂强度,在对耐热疲劳有要求的细分市场中已得到广泛应用,但其焊点在不同焊盘镀层下的高速剪切性能仍缺少研究。为此,研究了有机可焊防护剂(OSP)和化学沉锡(Im-Sn)两种镀层对Sn10Sb(Sb的质量分数为10%)焊点在1 000 mm/s剪切速率下力学性能的影响。研究结果表明,相比于Sn10Sb块体合金,20～40μm的Sn-Sb化合物均匀分散在β-Sn基体中,而焊点由于熔化和凝固过程中热场不均匀导致Sn-Sb化合物大部分偏聚在表面上、少数聚集在其内部和界面,通过Ansys有限元模拟焊点升降温过程中的热场不均匀分布对该现象进行了解释。此外,利用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱仪(EDS)对焊点进行观察,发现两种镀层的焊点都由β-Sn基体、SnSb化合物和Cu₆Sn₅化合物组成。相比于Sn10Sb/OSP焊点,由于Sn10Sb/Im-Sn焊点基体内部有更多的SnSb化合物形成且界面处的Cu₆Sn₅层更薄,使得Sn10Sb/Im-Sn焊点的剪...     

建筑用钎焊接头组织与力学性能的研究

采用OM、XRD、SEM和拉力试验机,研究了钎焊工艺参数对SnAg0.5CuZn0.1Ni/Cu无铅微焊点界面金属间化合物(IMC)和力学性能的影响。结果表明:添加0.1%Ni(质量分数)能显著细化SnAg0.5CuZn钎料合金的初生β-Sn相和共晶组织;钎焊温度为270℃、钎焊时间为240 s时,钎焊接头的剪切强度达到最大值47 MPa。     

ICP-AES法测定铅合金中的Cu、As、Bi、Sn、Sb

建立了利用电感耦合等离子体原子发射光谱法同时测定铅合金中的Cu、As、Bi、Sn、Sb分析方法。采用HNO3、HCl溶解铅合金,酒石酸抑制锡、锑水解的分析方法。优化了仪器测量参数,并确定了最佳分析谱线。研究结果表明,在一定浓度范围内Cu、As、Bi、Sn、Sb具有良好线性关系,相关系数在0.999以上,测定结果相对标准偏差在0.65%~3.20%之间,加标回收率在98%~107%之间。     

Cu-Ni-Sn扩散偶的界面过渡层固相序列分析

铍铜合金性能优异,但潜存毒性危害,Cu-Ni-Sn合金是一种典型的调幅分解强化型弹性铜合金,凭借其高的强度、硬度、弹性和优良的抗应力松弛性能,广泛应用于电子、航天、航海等领域,是替代铍铜的候选材料之一。然而Cu-Ni-Sn合金体系复杂,不同成分合金的性能差异较大,传统的研究材料的方法,一次只能研究一种或几种成分的合金,因此本文选择了"扩散多元节"高通量实验方法对Cu-Ni-Sn合金进行研究。本文采用CALPHAD相图计算手段,计算了Cu,Ni和Sn元素在相变过程中的活度变化曲线,根据元素活度在合金相中的范围大小对Cu-Ni-Sn三元扩散偶的Cu-Ni,Cu-Cu35Sn和Ni-Cu35Sn各个界面的固相序列进行了理论优化。通过Cu-Ni-Sn三元扩散偶实验,获得了CuNi,Cu-Cu35Sn和Ni-Cu35Sn扩散界面的过渡层组织形貌,结合理论计算结果,得到了可能的界面固相序列。在650℃条件下,Cu-Ni界面处仅有fcc_A1相的过渡层;Cu-Cu35Sn界面过渡层固相序列自富Cu端为fcc_A1→D03_Cu3Sn/Cu3Sn;Ni-Cu35Sn界面的固相序列自富Ni端为fcc_A1+Ni3Sn_LT→fcc_A1+Ni3Sn2→Ni3Sn2+D03_Cu3Sn/Cu3Sn。     

磁控溅射Cu/Mo纳米多层膜的结构与性能

用磁控溅射法在单晶硅和聚酰亚胺衬底上制备了恒定调制比(η=1)、调制周期λ=10～ 100 nm的Cu/Mo纳米多层膜,运用XRD,HRTEM,EDX,AFM,单轴拉伸系统、显微硬度仪和电阻仪对多层膜的微观结构、表面形貌和力学及电学性能进行了研究.结果表明,Cu/Mo多层膜中的Cu层和Mo层分别具有Cu( 111)和Mo(110)择优取向,Cu层呈柱状纳米晶、Mo层为极细纳米晶结构,Cu/Mo层间界面处存在一定厚度的扩散混合层.Cu/Mo多层膜的结构和性能受到调制周期和Cu层厚度的显著影响.在调制比η=1的条件下,随着调制周期的增加,软相Cu层厚度增大,Cu/Mo多层膜总体的屈服强度和显微硬度明显下降,裂纹萌生临界应变εc和电导率则显著上升.主要原因在于,随Cu层厚度的增加,Cu晶粒尺寸增大,Cu层内晶界密度降低,使Cu层的位错运动阻力减小、塑性变形能力增强,Cu层内电子散射效应减弱.同时当Cu/Mo多层膜总厚度恒定时,多层膜中Cu层和Mo层的层间界面数量亦随Cu层厚度的增加而减少,减弱了层间界面的电子散射效应,从而使多层膜电导率得以提高.     

Cu/Al复合材料界面组织与性能的研究进展

Cu/Al复合材料拥有优异的导电、导热性能及良好的耐腐蚀性，被广泛应用于通讯、电力和新能源等领域。作为异种金属连接形成的复合材料，其在制备过程中最大的难点在于消除异种金属间热膨胀系数差异等物理性质引起的缺陷，且连接处的界面间组织是影响其性能的主要因素，所以对此进行研究十分重要。综述了超声波焊接、搅拌摩擦焊、爆炸焊和铸造法下Cu/Al复合材料界面金属间化合物（IMC）的种类、形成机理，同时总结了Cu/Al复合材料性能改进常用的辅助手段：在等离子焊接和真空铸造工艺中添加微量元素；在拉拔旋压、轧制和爆炸焊后进行热处理；在超声波焊接、轧制中进行电脉冲辅助。国内外研究者们还广泛应用计算机模拟技术来研究Cu/Al复合材料的界面组织和性能。采用自主研发的冲击射流复合铸造工艺成功制备出Cu/Al复合材料，界面组织为Al2 Cu， AlCu和Al4Cu9，最大结合强度为23 MPa。