SnAgCuGe钎料组织、熔化、润湿及界面的研究

论文摘要

铅和铅的化合物对环境和人体健康有严重的危害。近年来随着微电子、表面组装技术（SMT）的发展,研制面向21世纪的绿色钎料产品以取代传统的锡铅钎料成为钎焊工业所面临的重要课题之一。通过近十年的研发,研究者们发现:在众多无铅钎料中,SnAgCu钎料最有可能成为SnPb铅料的替代品。对无铅钎料,我国开展研究比较晚,与国外的产品还具有较大的差距。本文选择目前最为常用的Sn-Ag-Cu无铅钎料,通过向其中添加少量的Ge元素,研究了Ge对Sn-Ag-Cu无铅钎料组织、熔化特性和铺展润湿性能的影响,并分析了Ge的添加对Sn-Ag-Cu/Cu界面及对Sn-Ag-Cu/Cu接头老化的影响。研究结果表明,在所研究的合金系列中,未出现低熔点共晶峰,表明微量锗的添加不会使Sn-Ag-Cu合金产生低熔点共晶成分,有利于在钎焊过程中形成可靠的连接焊点。添加少量锗对Sn-Ag-Cu钎料合金的熔化温度影响不大,熔点温度在217.642℃218.622℃之间。通过铺展面积的测量得出:当Ge含量为0.5%时,该系钎料具有较大的铺展面积和较小的润湿角。添加锗元素后,钎料组织中的Ag3Sn和Cu6Sn5相都得到了一定程度的细化,并且其分布状态均匀,使共晶组织中的金属间化合物排列趋于规则。研究了含Ge量不同的Sn-Ag-Cu-Ge钎料与Cu板的钎焊界面。锗含量为1.0%时界面平均厚度最小为2.165μm,并且界面最平坦;锗含量为0.5%时界面厚度最大可达2.373.75μm,并且界面整体看来参差不齐。研究了在150℃的干燥箱中经100h时效后的钎焊接头,三个成分钎料形成的金属间化合物层都有不同程度的长大。Sn-2.5Ag-0.7Cu-1.0Ge/Cu的界面平均厚度最薄为3.94μm。而锗含量为Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.5Ge/Cu的界面生长的厚度最大是4.71μm。不含锗的界面厚度为4.275μm。总体来说,在时效的100小时内,由基体向Cu-Sn界面层扩散铜原子的速度大于界面层向钎料扩散的速度,从而导致了界面层的长大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 软钎料发展的历史及应用领域
• 1.1.1 软钎料的历史
• 1.1.2 软钎料应用领域
• 1.1.3 软钎料在电子封装技术中的应用
• 1.2 传统锡铅钎料的利弊
• 1.2.1 锡铅合金的主要性能
• 1.2.2 锡铅合金使用中的问题
• 1.3 无铅钎料研究、开发的意义
• 1.4 无铅钎料的国内外研究现状及趋势
• 1.4.1 无铅钎料研究的现状
• 1.4.2 先进国家的主要发展趋势
• 1.5 无铅钎料性能要求和应用中的问题
• 1.5.1 无铅钎料性能要求
• 1.5.2 无铅钎料研究应注意的问题
• 1.6 论文选题、研究内容及技术路线图
• 1.6.1 论文选题的方向
• 1.6.2 本文主要研究内容
• 第2章 无铅钎料成分设计
• 2.1 引言
• 2.2 无铅钎料的设计原则
• 2.3 无铅钎料的五种设计方法简介
• 2.4 无铅钎料的成分设计
• 2.4.1 Sn-Ag-Cu 系合金性能的优化及合金成分的选择
• 2.4.2 把数理统计方法用于本文的成分设计
• 2.4.3 前人数据的统计回归
• 2.4.4 根据Sn 基二元相图设计合金成分
• 2.5 本章小结
• 第3章 钎料熔炼与钎剂制备
• 3.1 钎料的制备方法
• 3.2 钎料的高频熔炼过程
• 3.2.1 原材料的选择及熔炼流程
• 3.2.2 熔炼工艺
• 3.2.3 钎料合金原料的余量计算
• 3.3 钎料成分的能谱分析
• 3.4 钎剂
• 3.4.1 钎剂的作用
• 3.4.2 钎剂的制备
• 3.5 本章小结
• 第4章 SN-AG-CU-GE 钎料的组织、熔化和润湿性
• 4.1 软钎焊原理
• 4.2 钎料合金的组织形貌
• 4.2.1 钎料试样的制备
• 4.2.2 合金的微观组织形貌
• 4.2.3 锗对合金的微观组织形貌的影响
• 4.3 钎料的熔化特性
• 4.3.1 钎料熔点的重要性
• 4.3.2 DSC 试样的制备
• 4.3.3 测试结果分析
• 4.3.4 Ge 对熔化特性的影响
• 4.4 钎料的润湿性能试验及结果
• 4.4.1 润湿试样的制备
• 4.4.2 润湿性能试验测量过程
• 4.4.3 润湿行为试验结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 SN-AG-CU-GE/CU 界面及时效界面的组织演变
• 5.1 引言
• 5.2 接头试样的制备
• 5.2.1 钎焊试样的制备
• 5.2.2 时效接头的制备
• 5.3 试验结果及讨论
• 5.3.1 界面化合物组织形貌及成分分析
• 5.3.2 时效对界面微观组织的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢