Sn-Bi-Zn-Ag系无铅焊料及其连接界面组织分析

论文摘要

目前,产业化所应用的Sn-Ag系无铅焊料具有较高的Ag含量,成本较高,不利于生产。为了降低焊料的成本,本文以性能优越的Sn-3.7Ag-0.9Zn（重量百分比,后同）共晶合金为基础,降低Ag的含量至0.3%,并加入Bi为第四组元,形成了Sn-Bi-Zn-Ag无铅焊料体系。首先,通过对Bi含量的调整及冷却速率的改变,系统研究了以上因素对Sn-Bi-Zn-Ag焊料合金组织形成过程的影响;其次,分析以上各个因素对Sn-Bi-Zn-Ag焊料合金性能的影响,并阐述了强化机理和断裂机制;然后,结合焊接温度和焊接时间的改变,对Sn-Bi-Zn-Ag/Cu连接界面的金属间化合物层的生长与形成过程进行了系统研究;最后,探讨了镀Ni层对界面金属间化合物层形成的影响,以及高温时效后,界面金属间化合物层的演变规律。研究所得结果如下:在缓慢冷却条件下,Sn-xBi-0.9Zn-0.3Ag（x=1、2、3和4）焊料合金的组织由β-Sn相,AgZn3相、富Zn相和Bi的富集区（当Bi的含量达到2%时）组成。其中,富Zn相和Bi富集区的共同存在导致了合金低温局部熔化现象。冷却速度的提高能有效抑制富Zn相和Bi富集区的形成,从而抑制了局部熔化现象。经过150℃高温时效,Bi富集区将变得稀疏,Bi颗粒将在降低系统自由能的驱动下,分布于晶界处。随着Bi含量的升高和冷却速度的增大,Sn-Bi-Zn-Ag焊料合金的显微硬度提高,原因是Bi起到了固溶强化和沉淀强化的作用,而快速凝固细化了晶粒,起到细晶强化的作用。不过,Bi的固溶和组织的细化会使电子散射几率增大,导致焊料合金的电导率下降。Bi能提高焊料合金的拉伸强度,但同时也增大了合金的脆性,使合金由韧性断裂向脆性断裂转变。Sn-Bi-Zn-Ag/Cu界面出现了金属间化合物分层和脱离的现象,靠近焊料的一层为CuZn相,与Cu基板相连的为Cu6Sn5相,Bi含量的提高能抑制此现象的发生。同时,镀Ni层也对分层现象起到了抑制作用,连接界面只生成了一层复杂的Sn-Ni-Zn-Cu相。经过150℃高温时效,所有的界面金属间化合物层都经历了先长大后分解的过程,这与金属间化合物层内部存在的应力有关。一般来说,Bi和镀Ni层能降低扩散系数,阻止界面层的长大。但当Bi的含量较高时,由于存在局部溶化现象,焊料合金与Ni/Cu基板的扩散系数反而增大。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 传统Sn-Pb 焊料
• 1.3 无铅焊料的发展
• 1.3.1 无铅焊料的提出
• 1.3.2 无铅焊料的要求
• 1.3.3 主要无铅焊料体系
• 1.3.4 无铅焊料的微合金化
• 1.3.5 无铅复合焊料
• 1.4 无铅焊料的研究热点
• 1.4.1 无铅焊料的熔点
• 1.4.2 锡瘟
• 1.4.3 锡晶须
• 1.4.4 电子迁移
• 1.4.5 机械可靠性
• 1.4.6 无铅焊料/基板连接界面
• 1.5 Sn-Ag-Zn 系无铅焊料的提出与研究现状
• 1.5.1 Sn-Ag-Zn 系无铅焊料的提出
• 1.5.2 Sn-Ag-Zn 系合金研究现状
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 实验研究方法
• 2.1 实验样品制备
• 2.1.1 合金熔配
• 2.1.2 缓慢冷却焊料合金的制备
• 2.1.3 连接焊点的制备
• 2.1.4 高温时效处理
• 2.1.5 封样及抛光
• 2.2 分析测试方法
• 2.2.1 微观组织形貌观察
• 2.2.2 X-射线衍射分析
• 2.2.3 差示扫描量热分析
• 2.2.4 性能测试
• 2.3 技术路线
• 第三章 Sn-Bi-Zn-Ag 焊料合金组织形貌及金属间化合物形成过程分析
• 3.1 缓慢冷却焊料合金的组织形貌和相组成
• 3.2 快速冷却焊料合金的组织形貌和相组成
• 3.3 金属间化合物相形成过程分析
• 3.3.1 凝固过程分析
• 3.3.2 熔化过程分析
• 3.4 焊料合金的组织稳定性
• 3.5 本章小结
• 第四章 Sn-Bi-Zn-Ag 焊料合金的性能
• 4.1 显微硬度
• 4.2 电导率
• 4.3 拉伸性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 Sn-Bi-Zn-Ag 焊料合金与Cu 基板连接界面结构分析
• 5.1 不同Bi 含量对界面结构的影响
• 5.2 不同焊接温度和焊接时间对界面结构的影响
• 5.2.1 不同焊接温度的影响
• 5.2.2 不同焊接时间的影响
• 5.2.3 界面金属间化合物层生长理论
• 5.3 界面金属间化合物层结构的形成机理
• 5.4 本章小结
• 第六章 Sn-Bi-Zn-Ag 焊料合金与Ni/Cu 基板连接界面结构分析及界面时效
• 6.1 镀Ni 层对连接界面结构的影响
• 6.2 界面时效
• 6.2.1 Cu
• 6.2.2 Ni/Cu
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢