【摘要】：隨著人們對環(huán)境和健康問題的日益關(guān)注,電子產(chǎn)品中Pb的使用受到有效限制,國內(nèi)外學者開始了大量無鉛釬料的探索,其中Sn-58Bi以其低熔點、成本和熱膨脹系數(shù)而在低溫封裝中受到廣泛關(guān)注。電子產(chǎn)品的封裝密度不斷增加,導致通過焊點的電流密度不斷提高,目前已經(jīng)高達106A/cm2,在如此高的電流密度下,焊點很容易發(fā)生失效。本文在Cu/Sn-58Bi/Cu線性焊點研究基礎(chǔ)上,進一步研究了電遷移作用下Sn-58Bi/Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)兩種釬料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)復合焊點和成分復合焊點的界面反應及抑制機理;另外,在Cu基板中加入一定含量的Zn元素,研究Cu-Zn基板對Sn-58Bi電遷移性能的影響。Cu/Sn-58Bi/Cu線性焊點在常溫、電流密度大小為1×104A/cm2固/固電遷移過程中,表面隨著原子的遷移出現(xiàn)凸起裂紋,隨著時間的推移,在陽極界面處形成Sn晶須,陰極出現(xiàn)拉裂紋。對于焊點內(nèi)部而言,Bi原子不斷遷往陽極,在陽極形成富Bi層。溫度對原子遷移的影響至關(guān)重要,50℃下陽極富Bi層的厚度是常溫下富Bi層厚度的4.5倍。在高電流(24A)下的液/固電遷移中,陽極界面生成大量的棒狀金屬間化合物(IMC),隨著通電時間的延長不斷長大,表現(xiàn)為“熟化現(xiàn)象”;陰極界面Cu原子不斷消耗,界面變得凹凸不平。在高溫低電流密度(150℃,5×103A/cm2)的液/固電遷移中,陰極和陽極界面IMC的生長速率分別高于固/固電遷移中界面IMC的生長速率,且陰極界面IMC厚度要高于陽極界面IMC厚度。結(jié)構(gòu)復合焊點能夠?qū)崿F(xiàn)低溫連接,回流后焊點連接性良好,在電遷移過程中,與Cu/Sn-58Bi/Cu相比,富Bi層厚度和兩極界面IMC厚度都要更小,說明中間SAC305層對Bi原子和Cu原子的遷移都起到阻礙作用。陰極側(cè)Sn-58Bi中的Bi原子從SAC305邊緣遷往陽極側(cè)Sn-58Bi中,Bi在結(jié)構(gòu)復合焊點中的遷移具有“集膚效應”。陽極側(cè)的Sn-58Bi/SAC305界面附近的Bi原子在電遷移過程中逐漸遠離SAC305,而陰極側(cè)的Sn-58Bi/SAC305界面附近的Bi原子逐漸靠近SAC305。兩種成分復合焊點中,Ag含量的高低對電遷移影響很大,Ag含量越高,對遷移的阻礙作用越明顯。成分復合焊點中兩極界面IMC隨通電時間的延長而不斷增長,但是增長速率緩慢,這是由于Ag3Sn對原子遷移的阻礙作用,且隨著時間的推移,在陽極界面處沒有連續(xù)的富Bi層的出現(xiàn)。對于Cu-xZn/Sn-58Bi/Cu-xZn(x=2.29wt.%和4.89wt.%)線性焊點,Zn元素的添加可以有效減少表面Sn晶須和裂紋產(chǎn)生。在常溫固/固電遷移中,Zn元素的添加可以改變電遷移中的擴散主元,在一定程度上降低Bi原子的擴散速率,而提高Cu原子擴散速率。在液/固電遷移中,高電流密度引起的陽極IMC“熟化現(xiàn)象”明顯,熱電耦合陽極IMC厚度要明顯高于陰極IMC厚度。
【圖文】：

且電流密度越大，，相粗化現(xiàn)象越明顯。另外，在電的情況下，在陰極會有柯肯達爾孔洞的形成，這會嚴重影響焊點19]研究了純 Sn 在不同電流密度下的電遷移現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)電流的長，高電流密度下界面化合物的生長速率要明顯高于低電流密度外，在他們的研究中，他們發(fā)現(xiàn)陽極化合物的生長速率要高于，陰極化合物的厚度增長到一定時間后就開始溶解減小。在 Chu/Sn-Ag-Cu/Au/Cu 焊點的電遷移行為進行了研究，高電流密度提高 Cu6Sn5的生成速率[20]。陰極和陽極由于原子擴散方向及速Cs 化合物增長速率不同，初始階段陰極厚度要大于陽極厚度[21，而陰極化合物厚度則先增大后減小，呈拋物線規(guī)律。然而，04A/cm2數(shù)量級電流密度在不同溫度下對Cu/Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu況，如圖 1.1 所示。從圖 1.1 可以看出，電流的增加明顯增加了極界面化合物的生長都符合拋物線規(guī)律，陰極界面化合物的厚流密度越大，陽極化合物增長速率越快，同時，陰極界面化合(a)(b)

江蘇科技大學工學碩士學位論文度下（104A/cm2、1.2×104A/cm2、1.4×104A/cm2），He 等人[32]發(fā)現(xiàn)在電子場的作用極界面 IMCs 的厚度逐漸變大，但是陽極生成的富 Bi 層阻礙了陽極界面 IMCs 的，陽極 IMCs 生長速率緩慢，導致陰陽兩極化合物出現(xiàn)明顯差距。Gu 等人[33]研究u/Sn-58Bi/Cu 焊點在低電流密度（5×103A/cm2）、不同溫度下原子的遷移，35℃陽陰極界面如圖 1.2 所示，其中亮色的是富 Bi 相，灰色的是富 Sn 相，通電 480 h 陽極形成富 Bi 層。當環(huán)境溫度提高到 75℃時，通電 480h 后，陽極富 Bi 層厚度增加，陰極出現(xiàn)了明顯的富 Sn 層，并有孔洞出現(xiàn)，孔洞可能發(fā)展為裂紋源，嚴重焊點可靠性，可見環(huán)境溫度對原子電遷移有明顯的影響。此外，當焊點在熱遷移遷移同時作用時，電遷移和熱遷移都會影響 IMCs 的生長及原子遷移。當其方向時，原子的遷移會增強及反應，反之則會減弱[34, 35]。電遷移對化合物層、Bi 層及粗化等的影響都直接影響焊點接頭強度，使焊點由原先的釬料處韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樘幍拇嘈詳嗔选?
【學位授予單位】：江蘇科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN40

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 馬東亮;吳萍;;液態(tài)時效條件下Zn元素的添加對共晶Sn-58Bi焊料力學性能的影響（英文）[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2015年04期

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本文編號：2560544