超低银SnAgCu钎料微焊点力学性能

研究了复合添加Ga/Nd元素对超低银Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料微焊点力学性能的影响. 结果表明,复合添加适量Ga/Nd元素可以显著改善微焊点界面组织,抑制微焊点界面附近金属间化合物的生成,从而提高微焊点的力学性能,相比母合金微焊点剪切力提高幅度达到约16%;微焊点的力学性能随着时效时间的增加而降低,降低幅度优于未添加Ga/Nd的微焊点. Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5Ga-0.1Nd钎料微焊点的力学性能在时效处理后仍保持较好的水平,已接近Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料微焊点的90%,具有良好的工业应用前景.     

Nd对Sn-0.7Cu-0.05Ni焊点组织与力学性能的影响

研究了添加微量稀土元素Nd对Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu无铅焊点再流焊和150 ℃时效条件下焊点界面组织与力学性能的影响. 结果表明,添加适量Nd(质量分数为0.06%)可以优化焊点界面组织,减缓时效过程中Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu界面化合物的生长速率,提高焊点力学性能,增强焊点的可靠性. 时效过程中,添加了0.06%Nd的Sn-0.7Cu-0.05Ni钎料焊点的剪切力始终保持最大,在时效1 440 h后,Sn-0.7Cu-0.05Ni-0.06Nd/Cu焊点的剪切力相比未添加稀土的Sn-0.7Cu-0.05Ni钎料提高了31.9%.     

超低银SAC钎料焊点界面显微组织演化

研究了复合添加Ga/Nd元素的超低银Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料在长期时效过程中的微焊点界面组织演化情况. 结果表明,复合添加适量Ga/Nd元素可以显著改善时效后微焊点界面组织,抑制微焊点界面附近大块状金属间化合物以及稀土相的生成. 经720 h时效后,即使在含有过量Nd元素的微焊点界面仍没有发现明显的Ag₃Sn相和稀土相,取而代之的是小块状的新相,结合EDS和XRD分析结果推测该相含有Ga₂Nd与Cu₆Sn₅. 经过长期时效处理后,微焊点抗剪力接近Sn-3.8Ag-0.7Cu焊点抗剪力的90%,具有较好的力学性能.     

Sn-9Zn-0.1S/Cu焊点液固界面金属间化合物的生长动力学

采用扫描电镜和光学显微镜观察研究了230~260℃焊接温度范围内Sn-9Zn-0.1S/Cu焊点界面金属间化合物的结构及生长动力学.结果表明,在该焊点界面形成的化合物可分为两层:靠铜侧的是厚且平直的γ-Cu₅Zn₈化合物层;靠焊料侧的则为另一薄且呈扇贝、粒状的CuZn化合物层.提高钎焊温度及延长反应时间基本不改变Sn-9Zn-0.1S/Cu焊点界面金属间化合物的结构和成分,但会使形成的界面金属间化合物层厚度增加.γ-Cu₅Zn₈金属间化合物层的厚度与反应时间的平方根呈线性关系,表明其生长由扩散机制控制.根据阿伦尼乌斯公式,Sn-9Zn-0.1S/Cu焊点界面γ-Cu₅Zn₈金属间化合物层反应活化能为22.09 kJ/mol.     

复合添加Ga,Al,Ag对Sn-9Zn钎料性能的影响

采用润湿平衡法研究了合金元素Ga,Al,Ag复合添加对Sn-9Zn钎料润湿性的影响.结果表明,Ga,Al,Ag的最佳添加量分别为0.2,0.002,0.25(质量分数,%);添加合金元素后钎料的高温抗氧化性能显著提高.俄歇电子能谱分析表明,Sn-9Zn-0.2Ga-0.002Al-0.25Ag钎料表面Al高度富集并形成一层致密的氧化膜,可阻挡氧向液态钎料内部扩散,减少钎料的氧化.Sn-9Zn-0.2Ga-0.002Al-0.25Ag钎料与Cu/Ni/Au基板之间的金属间化合物由一层平坦的AuZn3和颗粒状的AuAgZn2化合物组成.另外,微焊点力学试验表明,采用Sn-9Zn-0.2Ga-0.002Al-0.25Ag钎料时,电子元器件与基板间微焊点的力学性能比Sn-9Zn钎料略有提高.     

热时效对SnAgCu微焊点界面IMC和抗拉强度的影响

采用扫描电镜、能谱仪和微拉伸实验,研究了Cu/Sn-3Ag-0.5Cu/Cu引线对接焊点在373K不同热时效时间下焊点界面金属间化合物(IMC)的生长和抗拉强度的变化,同时对互连焊点的断口形貌及断裂模式进行了分析.结果表明:随着时效时间的延长,1)界面IMC不断增厚,其生长动力学符合抛物线生长规律;2)互连焊点的抗拉强度不断下降,其断裂模式由纯剪切断裂逐渐向微孔聚集型断裂转变.     

85℃时效Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点界面化合物生长行为

以Sn-9Zn/Cu焊点为参比物,研究了Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点在85℃时效条件下界面金属间化合物(IMC)的生长行为。结果表明,相同钎焊工艺条件下,与Sn-9Zn/Cu相比,Sn-8Zn-3Bi/Cu界面反应更为充分。在85℃时效过程中,Sn-9Zn/Cu界面IMC结构稳定,Sn-8Zn-3Bi/Cu焊点界面IMC生长速率变化不大,界面IMC层增厚速率在界面反应初期较快而在后期则显著下降。Bi的添加对合金熔点的降低促进了界面初期反应过程的充分进行。随着界面反应时间的延长,Bi对Cu-Zn(IMC)层的生长表现出明显的抑制作用,界面IMC生长动力学时间指数显著减小。     

微量Nd对Sn-6.5Zn合金及钎料/Cu界面结构的影响

研究了微量稀土元素Nd的添加对Sn-6.5Zn合金组织及钎料/Cu焊点界面金属间化合物(IMC)特征的影响.结果表明:微量Nd元素在Sn-6.5Zn钎料中的添加能够显著细化合金组织和形成均匀细密界面IMC层;添加0.1 wt％Nd元素即能促进钎料/Cu焊点界面反应及界面区域成分的均匀性.     

界面金属间化合物对铜基Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点拉伸断裂性能的影响

研究了Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点在(150±1)℃时效温度下,0～1 000 h不同时间时效后焊点的拉伸断裂性能以及界面金属间化合物(IMC)的组织形态和成分.结果表明随着时效时间的延长,焊点拉伸强度降低,拉伸断裂主要发生于Solder/IMC界面或/和IMC/IMC界面,而且断口形貌逐渐由韧窝状断口为主向解理型脆性断口转变.SEM研究发现,时效过程中界面IMC不断长大、增厚并呈针状或块状从Cu/Solder界面向焊点心部生长,时效1 000 h的焊点中IMC分层明显.半焊点结构为Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Solder,同时,在靠近铜基体的IMC中有Kirkendall空洞存在.     

时效对SnAgCu/SnAgCu-TiO2焊点界面与性能影响

研究了SnAgCu与SnAgCu-TiO2两种无铅钎料与铜基板之间的界面反应,研究其在140℃时效过程中的生长行为及力学性能变化.结果表明,焊后两种钎料对应界面层为Cu6Sn5相,经过140℃时效,界面层厚度随着时效时间的增加而增加.发现金属间化合物层厚度和时效时间的平方根成正比例关系.当时效时间为300 h时,界面层出现Cu3Sn相,发现纳米TiO2颗粒对界面金属间化合物层厚度有明显的抑制作用.同时对焊点力学性能分析,在时效过程中焊点平均拉伸力明显下降,SnAgCu-TiO2焊点的力学性能明显优于SnAgCu焊点.     

镀铜/镍烧结钕铁硼永磁体与DP1180钢钎焊接头的组织与性能

采用Zn-6Sn-5Bi钎料对镀Cu/Ni的烧结NdFeB永磁体和DP1180钢进行钎焊连接,对比分析了2种镀层条件下钎焊接头的微观组织和力学性能。结果表明,对于镀Cu的烧结NdFeB永磁体和DP1180钢的钎焊接头,Cu在钎料中扩散并与Zn、Fe反应生成脆性金属间化合物,导致钎缝中出现裂纹和孔洞。与无镀层时的烧结NdFeB永磁体和DP1180钢的钎焊接头相比,接头的剪切强度由61.9 MPa降低至52.3 MPa;对于镀Ni的烧结NdFeB永磁体和DP1180钢的钎焊接头,Ni集中分布在NdFeB一侧的界面处,并且由于Sn和Bi的扩散形成了不同的扩散层,其剪切强度提高至78.1 MPa。     

Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面的显微结构

研究了热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu钎料／Cu界面的显微结构，分析了界面金属间化合物的生长行为，并与恒温时效后的Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面进行了对比。结果表明：恒温时效至100h，Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上已形成Cu6Sn5和Cu3Sn两层金属间化合物；而热-剪切循环至720周Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上只存在Cu6Sn5金属间化合物层，无Cu3Sn层生成，在界面近域的钎料内，颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状；在热-剪切循环和恒温时效过程中，界面金属间化合物的形态初始都为扇贝状，随着时效时间的延长逐渐趋于平缓，最终以层状形式生长。     

Sn-9Zn-xAg无铅钎料润湿性能及焊点力学性能

研究了合金元素Ag的添加量对Sn-9Zn无铅钎料润湿性能及其焊点力学性能的影响.结果表明,当Ag元素的添加量(质量分数)为0.3%时,钎料具有最好的润湿性能,焊点的力学性能最佳,焊接接头的断口形貌显示钎料与铜基板接头断口处有明显的韧窝,是典型的韧性断裂;当Ag元素的添加量(质量分数)为0.5%～1.0%时,钎料的润湿性能下降,当Ag元素的添加量(质量分数)增加到1.0%时,焊点的力学性能有所下降,在断口的韧窝底部有大颗的Cu-Zn,Ag-Zn金属间化合物.因此,Sn-9Zn无铅钎料中合金元素Ag的最佳添加量(质量分数)为0.3%.     

Evolution of Ag3Sn at Sn-3.0Ag-0.3Cu-0.05Cr/Cu joint interfaces during thermal aging

The intermetallic compounds (IMC) in the solder and at the interface of Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC)/Cu and Sn-3.0Ag-0.3Cu-0.05Cr (SACC)/Cu joints were investigated after isothermal aging at 150 °C for 0, 168 and 500 h. Different shaped Ag₃Sn phases were found near the IMC layer of the latter joint. Interestingly, fine rod-shaped and branch-like Ag₃Sn were detected near the interface after soldering and long Ag₃Sn changed into shorter rods and small particles during aging. It is investigated that the Cr addition and thermal aging have effect on the evolution of Ag₃Sn morphologies and it is controlled by interfacial diffusion. Energy minimization theory and the redistribution of elements are used to explain the morphological evolution of Ag₃Sn. Small Ag₃Sn particles were also found on the IMC layer after aging, unlike the large Ag₃Sn at that of SAC/Cu joints. In conclusion, a favorable morphology of the joint interface leads to better bonding properties for SACC/Cu joints against thermal aging than that for SAC/Cu.     

Ag的添加量对Sn-9Zn无铅钎料性能的影响

研究Ag的添加量对Sn-9Zn无铅钎料性能的影响规律。结果表明,Ag不仅对Sn-9Zn无铅钎料的润湿性能和显微组织有明显作用,而且对钎料接头的力学性能也有较大的影响。添加0.3%Ag (质量分数, 下同)后,钎料的抗氧化性能得到提高,因此钎料的润湿性能得到改善。Sn-9Zn-0.3Ag具有比Sn-9Zn钎料更均匀的组织。研究结果还表明,添加0.3%Ag后,钎料接头的力学性能最佳,接头断口显示有大量的细小均匀的韧窝组织。当Ag的添加量添加到1%时,在韧窝底部出现Cu-Zn、Ag-Zn金属间化合物,此时,接头力学性能下降     

Nd对Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊点高温可靠性的影响

通过研究150 ℃时效条件下Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力变化和界面微观结构演变,探讨稀土元素Nd对焊点高温可靠性的影响及其影响机制. 结果表明,不同时效时间后Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力明显高于Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊点,且时效过程中Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力的下降速率低于原焊点. 这是由于0.05%Nd可将界面原子扩散系数由1.88 × 10?10 cm2/h降低至1.10 × 10?10 cm2/h,即通过抑制界面金属间化合物的粗化来提高焊点的高温可靠性.     

Zn元素对Sn0.5Ag0.7Cu/Cu接头剪切性能和时效接头组织结构的影响

为了改善Sn0.5Ag0.7Cu/Cu接头组织结构和力学性能,通过在Sn0.5Ag0.7Cu钎料中添加Zn元素,以Sn0.5Ag0.7Cu-xZn (x=0, 0.1, 0.4, 0.7, 1)钎料合金对紫铜基板进行了熔钎焊试验,并对接头进行微观组织及力学性能分析. 结果表明,改变了接头结合界面处金属间化合物(intermetallic compound,IMC)组织结构,增强了接头剪切断裂的韧性断裂特征,提高了接头抗剪强度. 当Zn元素的加入量为0.4% (质量分数)时,接头抗剪强度达到最高的47.81 MPa. 添加Zn元素等温时效处理后,对接头中IMC层的生长有着抑制作用,并且随着时效温度的提高和时效时间的延长,脆性层Cu₅Zn₈会破碎直至消失,因此在改善接头结合界面处IMC组织性能的同时,不会改变其组成和结构.     

时效处理对Sn-Zn-Ga-Nd钎焊接头界面及力学性能的影响

研究了150℃时效条件下,不同时效时间对Sn-Zn-Ga-Nd钎焊接头界面组织及力学性能的影响.结果表明,Ga元素的添加有效抑制了钎焊接头界面附近稀土相的形成,即使经过长时间的时效处理后,界面附近仍然没有稀土相出现.在时效过程中,钎焊接头的剪切力随时效时间增加而降低,但下降幅度小于Sn-Zn-Nd及Sn-Zn钎焊接头.经过720 h的时效处理后,Sn-Zn-Ga-0.08 Nd接头的剪切力仍高于未经时效的Sn-Zn钎焊接头.