无钯镀镍碳纤维增强Sn-3.0Ag-0.5Cu复合钎料的制备

采用化学镀法在碳纤维表面制备无钯镍镀层,用粉末冶金法制备了以镀镍碳纤维为增强相的Sn-3.0Ag-0.5Cu复合钎料,借助于SEM、EDS、OM等检测手段对其微观组织进行分析,研究镀镍碳纤维含量对复合钎料微观组织和基本性能的影响。结果表明:镀镍碳纤维主要分布在复合钎料的晶界处;随着复合钎料中镀镍碳纤维含量的增加,其弥散度逐渐降低,熔点变化不大;当镀镍碳纤维含量(质量分数)大于1%时,镀镍碳纤维在晶界处的团聚现象严重,复合钎料的电阻率显著升高。添加1%的镀镍碳纤维有助于减小液态复合钎料在助焊剂界面和Cu基板处的表面张力,降低钎料基体的电流密度,使得复合钎料的润湿性提高,电阻率有所降低。     

cnBi对Sn-0.8Ag-0.5Cu无铅钎料熔化特性和润湿性的影响

采用差示扫描量热仪和可焊性测试仪分析了Sn-0.8Ag-0.5Cu-xBi钎料的熔化特性和润湿性.结果表明,向Sn-0.8Ag-0.5Cu低银无铅钎料合金中加人适量Bi元素可显著降低合金的熔化起始温度和改善钎料的润湿性,当Bi质量分数达到3.0%时,熔化起始温度比原合金降低6.8℃,当Bi质量分数为2.0%时,最大润湿力达到最大值3.91mN.因此,添加适量的Bi可以同时达到降低低银钎料熔点和改善其润湿性的效果.     

Bi掺杂对Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料电化学腐蚀性能及枝晶生长的影响

采用动电位扫描和交流阻抗等方法研究Bi掺杂对Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料在3.5%NaCl(质量分数)溶液中电化学腐蚀性能及枝晶生长的影响;采用SEM和XRD技术分析其腐蚀形貌及成分。结果显示:随着Bi含量增加,腐蚀电流密度增大,但自腐蚀电位不呈规律性变化。阻抗谱显示:掺杂前后阻抗谱特征相同,均可用两个时间常数的等效电路模型表示,其拟合误差<5%。随着Bi含量的增加,容抗弧半径减小,电荷传递电阻和腐蚀产物膜电阻均减小,耐蚀性能降低。SEM像显示,Bi掺杂对钎料在介质中电化学迁移速度有减缓作用,因而对迁移所致的枝晶生长具有抑制作用。XRD谱显示,枝晶主要成分为Sn和Cu6Sn5,同时伴有少量的Bi和Ag3Sn。     

Bi对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料微观组织和性能的影响

在Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料的基础上,掺加不同比例的Bi元素,形成Sn-Ag-Cu-Bi系合金,研究不同掺量的Bi对Sn-3.0Ag-0.5Cu的熔化温度、润湿性及焊接接头的微观组织的影响.结果表明,添加Bi能够明显降低焊料的熔点,但当Bi含量超过5％时,熔程增大;添加3％以内的Bi能明显提高其润湿性.     

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.     

Fe粉对Sn-3Ag-0.5Cu复合钎料组织及性能的影响

通过在钎料中添加Fe粉颗粒,研究其对Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料的黏度、熔点、钎焊接头界面微观组织、与Cu基板之间的润湿性及焊点力学性能的影响。结果表明:微米级Fe粉的添加增加了复合钎料焊膏单位体积内焊粉的接触面积,使得焊膏内摩擦力增大,导致复合钎料焊膏的黏度增加;微米级Fe粉的添加对Sn-3Ag-0.5Cu钎料的熔化特性没有显著影响;钎焊时,由于重力偏聚及界面吸附作用,Fe粉颗粒集中沉积于Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu钎焊接头界面处靠近钎料一侧,由于增大液态钎料黏度而导致钎料与Cu板间的润湿性降低;与Sn-3Ag-0.5Cu/Cu相比,Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu界面处钎料一侧粗大的β-Sn枝晶区消失,取而代之的是细小的等轴晶。Sn-3Ag-0.5Cu-1%Fe/Cu的剪切强度为46 MPa,比Sn-3Ag-0.5Cu/Cu剪切强度提高39%;靠近界面金属间化合物处钎料基体的显微硬度提高约25%。     

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。     

工艺参数对Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊点界面组织和力学性能的影响

互连焊点界面反应形成的金属间化合物(IMC)对焊点服役可靠性会产生显著影响。研究了不同工艺参数(回流温度、回流时间和回流次数)条件下,Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊点界面金属间化合物的演变及对焊点力学性能的影响,同时对焊点断裂机制进行了分析。结果表明,随着回流温度和回流时间的增加,金属间化合物η-Cu6Sn5相的形貌由贝状向板条状转变,并可观察到η相溶入焊点内部。在265℃回流时,随着回流时间增加,贝状η相不断长大,晶粒数不断减少;界面IMC的生长符合幂指数生长规律,其生长指数为0.339。回流次数对焊点剪切强度的影响为先增后减,断裂模式从纯剪切断裂到微孔聚集型断裂再到局部脆断转变。     

微连接用Sn-2.5Ag-0.7Cu(0.1RE)钎料焊点界面Cu6Sn5的长大行为

利用XRD、SEM及EDAX研究了钎焊和时效过程中低银Sn-2.5Ag-0.7Cu(0.1RE)/Cu焊点界面区显微组织和Cu6Sn5金属间化合物的生长行为。结果表明,钎焊过程中焊点界面区Cu6Sn5金属间化合物的厚度是溶解和生长两方面共同作用的结果;随时效时间的增加,焊点界面区Cu6Sn5的形貌由扇贝状转变为层状,其长大动力学符合抛物线规律,由扩散机制控制;添加0.1%(质量分数,下同)的RE能有效减慢界面Cu6Sn5金属间化合物在钎焊及时效过程中的长大速度,改变焊点的断裂机制,提高其可靠性。     

时效Sn-0.3Ag-0.7Cu/OSP、ENIG焊点剪切强度的比较

研究了Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料与有机防氧化涂层(OSP)及化学镀镍金镀层(ENIG)焊盘回流焊后焊点界面IMC和剪切强度在不同时效条件下的变化.结果表明,(1)随着时效时间的增加,两种焊盘的界面IMC厚度都增加,并且符合抛物线生长规律,但是OSP焊盘界面IMC生长速率要快于ENIG焊盘界面IMC的生长速率,其界面IMC的形貌逐渐平整;(2)OSP和ENIG焊盘焊点的剪切强度均随时效时间的延长而下降.在低温时效时,ENIG焊盘焊点的剪切强度高于OSP焊盘焊点的剪切强度;然而,在高温时效时,ENIG焊盘焊点的剪切强度却低于OSP焊盘焊点的剪切强度.     

稀土Er对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料合金组织与性能的影响

研究稀土Er含量对Sn-3．0Ag-0．5Cu无铅焊料合金显微组织以及性能的影响。结果表明：当Er含量为0．05％～0．50％（质量分数）时，对该无铅焊料合金的导电性和腐蚀性影响不大，但使熔化区间温度降低：当Er含量为0．05％时，焊点剪切强度最高；当Er含量为0．10％时，焊料铺展面积最大，焊料润湿性有所改善，同时焊料的拉伸强度达到最高；当Er含量为0．25％时，伸长率最大。随着Er含量的增加，该焊料合金的组织由树枝晶向等轴晶转变，且组织逐渐细化。Er的较佳添加量为0．05％～0．25％。     

热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu（Ni）界面化合物生长行为研究

对热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu钎料在Cu和Ni界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究。结果表明：再流焊后，在Sn-3．5Ag-0．5Cu／Ni界面上形成（CuxNi1-x）6Sn5化合物；热-剪切循环200周次后，（NixCu1-x）Sn3化合物在（CuxNi1-x）6Sn5化合物周围以片状快速长大；而Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面从钎焊到热-剪切循环720周次始终只存在Cu6Sn5金属化合物层。随着热-剪切循环周数的增加，（CuxNi1-x）6Sn5和Cu6Sn5化合物形态均从笋状向平面状生长。界面金属间化合物的厚度随循环周数的增加而增加，且生长基本遵循抛物线规律，说明Cu原子的扩散控制了（CuxNi1-x）6Sns和Cu6Sn5化合物的生长。     

SnAgCu/Cu和SnPb/Cu界面热-剪切循环条件下化合物的生长行为

对热剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu和Sn-Pb/Cu界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究。结果表明:再流焊后,在两界面上均形成一种Cu6Sn5化合物;随着热剪切循环周数的增加,两界面上化合物的形态均从扇贝状向层状生长,其厚度随循环周数的增加而增加,且生长基本遵循抛物线规律,说明Cu原子的扩散控制了Cu6Sn5化合物的生长。界面近域的钎料内,颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状。     

Thermal reliabilities of Sn-0.5Ag-0.7Cu-0.1Al2O3/Cu solder joint

The effects of trace addition of Al₂O₃ nanoparticles (NPs) on thermal reliabilities of Sn-0.5Ag-0.7Cu/Cu solder joints were investigated. Experimental results showed that trace addition of Al₂O₃ NPs could increase the isotheraml aging (IA) and thermal cyclic (TC) lifetimes of Sn-0.5Ag-0.7Cu/Cu joint from 662 to 787 h, and from 1597 to 1824 cycles, respectively. Also, trace addition of Al₂O₃ NPs could slow down the shear force reduction of solder joint during thermal services, which was attributed to the pinning effect of Al₂O₃ NPs on hindering the growth of grains and interfacial intermetallic compounds (IMCs). Theoretically, the growth coefficients of interfacial IMCs in IA process were calculated to be decreased from 1.61×10^-10 to 0.79×10^-10 cm²/h in IA process, and from 0.92×10^-10 to 0.53×10^-10 cm²/h in TC process. This indicated that trace addition of Al₂O₃ NPs can improve both IA and TC reliabilities of Sn-0.5Ag- 0.7Cu/Cu joint, and a little more obvious in IA reliability.     

工业纯Sn和Sn-3Ag-0.5Cu合金在沈阳大气环境下自然暴露的初期腐蚀行为

通过沈阳大气环境下的自然暴露实验研究工业纯Sn和Sn-3Ag-0.5Cu合金的早期大气腐蚀行为。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)分析了表面腐蚀产物的形貌与成分。结果表明:工业纯Sn与Sn-3Ag-0.5Cu合金在沈阳工业大气环境下自然暴露后都很快发生了表面腐蚀并失泽,早期腐蚀产物疏松、龟裂并易于剥落。XPS深度分析表明:自然条件下暴露18 d后,表面腐蚀产物层厚度约为400 nm。工业大气中的悬浮物颗粒对腐蚀的形核和扩展起重要作用,Sn-3Ag-0.5Cu合金中的第二相Ag3Sn和Cu6Sn5作为阴极存在,但对大气腐蚀的加速影响不大。     

Interfacial reactions and mechanical properties between Sn-4.0Ag-0.5Cu and Sn-4.0Ag-0.5Cu-0.05Ni-0.01Ge lead-free solders with the Au/Ni/Cu substrate

Sn-4.0Ag-0.5Cu (SAC) and Sn-4.0Ag-0.5Cu-0.05Ni-0.01Ge (SACNG) lead-free solders reacting with the Au/Ni/Cu multi-layer substrate were investigated in this study. All reaction couples were reflowed at 240 and 255 °C for a few minutes and then aged at 150 °C for 100-500 h. The (Cu, Ni, Au)₆Sn₅ phase was formed by reflowing for 3 min at the interface. If the reflowing time was increased to 10 min, both (Cu, Ni, Au)₆Sn₅ and (Ni, Cu, Au)₃Sn₄ phases formed at the interface. The AuSn₄ phase was found in the solder for all reaction couples. An addition of Ni and Ge to the solder does not significantly affect the IMC formation. After a long period of heat-treatment, the thickness of the (Cu, Ni, Au)₆Sn₅ and (Ni, Cu, Au)₃Sn₄ phases increased and the intermetallic compounds (IMCs) growth mechanism obeyed the parabolic law and the IMC growth mechanism was diffusion-controlled. The mechanical strengths for both the soldered joints decreased with increasing thermal aging time. The SACNG/Au/Ni/Cu couple had better mechanical strength than that in the SAC/Au/Ni/Cu couple.