【摘要】：隨著人們對(duì)環(huán)境和健康問(wèn)題的日益關(guān)注,電子產(chǎn)品中Pb的使用受到有效限制,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始了大量無(wú)鉛釬料的探索,其中Sn-58Bi以其低熔點(diǎn)、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(dǎo)致通過(guò)焊點(diǎn)的電流密度不斷提高,目前已經(jīng)高達(dá)106A/cm2,在如此高的電流密度下,焊點(diǎn)很容易發(fā)生失效。本文在Cu/Sn-58Bi/Cu線性焊點(diǎn)研究基礎(chǔ)上,進(jìn)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(fù)合焊點(diǎn)和成分復(fù)合焊點(diǎn)的界面反應(yīng)及抑制機(jī)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(duì)Sn-58Bi電遷移性能的影響。Cu/Sn-58Bi/Cu線性焊點(diǎn)在常溫、電流密度大小為1×104A/cm2固/固電遷移過(guò)程中,表面隨著原子的遷移出現(xiàn)凸起裂紋,隨著時(shí)間的推移,在陽(yáng)極界面處形成Sn晶須,陰極出現(xiàn)拉裂紋。對(duì)于焊點(diǎn)內(nèi)部而言,Bi原子不斷遷往陽(yáng)極,在陽(yáng)極形成富Bi層。溫度對(duì)原子遷移的影響至關(guān)重要,50℃下陽(yáng)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(yáng)極界面生成大量的棒狀金屬間化合物(IMC),隨著通電時(shí)間的延長(zhǎng)不斷長(zhǎng)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(yáng)極界面IMC的生長(zhǎng)速率分別高于固/固電遷移中界面IMC的生長(zhǎng)速率,且陰極界面IMC厚度要高于陽(yáng)極界面IMC厚度。結(jié)構(gòu)復(fù)合焊點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)低溫連接,回流后焊點(diǎn)連接性良好,在電遷移過(guò)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(shuō)明中間SAC305層對(duì)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(yáng)極側(cè)Sn-58Bi中,Bi在結(jié)構(gòu)復(fù)合焊點(diǎn)中的遷移具有“集膚效應(yīng)”。陽(yáng)極側(cè)的Sn-58Bi/SAC305界面附近的Bi原子在電遷移過(guò)程中逐漸遠(yuǎn)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(fù)合焊點(diǎn)中,Ag含量的高低對(duì)電遷移影響很大,Ag含量越高,對(duì)遷移的阻礙作用越明顯。成分復(fù)合焊點(diǎn)中兩極界面IMC隨通電時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增長(zhǎng),但是增長(zhǎng)速率緩慢,這是由于Ag3Sn對(duì)原子遷移的阻礙作用,且隨著時(shí)間的推移,在陽(yáng)極界面處沒(méi)有連續(xù)的富Bi層的出現(xiàn)。對(duì)于Cu-xZn/Sn-58Bi/Cu-xZn(x=2.29wt.%和4.89wt.%)線性焊點(diǎn),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(kuò)散主元,在一定程度上降低Bi原子的擴(kuò)散速率,而提高Cu原子擴(kuò)散速率。在液/固電遷移中,高電流密度引起的陽(yáng)極IMC“熟化現(xiàn)象”明顯,熱電耦合陽(yáng)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(huì)有柯肯達(dá)爾孔洞的形成，這會(huì)嚴(yán)重影響焊點(diǎn)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(zhǎng)，高電流密度下界面化合物的生長(zhǎng)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(yáng)極化合物的生長(zhǎng)速率要高于，陰極化合物的厚度增長(zhǎng)到一定時(shí)間后就開始溶解減小。在 Chu/Sn-Ag-Cu/Au/Cu 焊點(diǎn)的電遷移行為進(jìn)行了研究，高電流密度提高 Cu6Sn5的生成速率[20]。陰極和陽(yáng)極由于原子擴(kuò)散方向及速Cs 化合物增長(zhǎng)速率不同，初始階段陰極厚度要大于陽(yáng)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(jí)電流密度在不同溫度下對(duì)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(zhǎng)都符合拋物線規(guī)律，陰極界面化合物的厚流密度越大，陽(yáng)極化合物增長(zhǎng)速率越快，同時(shí)，陰極界面化合(a)(b)

江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(chǎng)的作用極界面 IMCs 的厚度逐漸變大，但是陽(yáng)極生成的富 Bi 層阻礙了陽(yáng)極界面 IMCs 的，陽(yáng)極 IMCs 生長(zhǎng)速率緩慢，導(dǎo)致陰陽(yáng)兩極化合物出現(xiàn)明顯差距。Gu 等人[33]研究u/Sn-58Bi/Cu 焊點(diǎn)在低電流密度（5×103A/cm2）、不同溫度下原子的遷移，35℃陽(yáng)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(yáng)極形成富 Bi 層。當(dāng)環(huán)境溫度提高到 75℃時(shí)，通電 480h 后，陽(yáng)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(yán)重焊點(diǎn)可靠性，可見環(huán)境溫度對(duì)原子電遷移有明顯的影響。此外，當(dāng)焊點(diǎn)在熱遷移遷移同時(shí)作用時(shí)，電遷移和熱遷移都會(huì)影響 IMCs 的生長(zhǎng)及原子遷移。當(dāng)其方向時(shí)，原子的遷移會(huì)增強(qiáng)及反應(yīng)，反之則會(huì)減弱[34, 35]。電遷移對(duì)化合物層、Bi 層及粗化等的影響都直接影響焊點(diǎn)接頭強(qiáng)度，使焊點(diǎn)由原先的釬料處韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樘幍拇嘈詳嗔选?
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN40

【參考文獻(xiàn)】

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

2 岳武;秦紅波;周敏波;馬驍;張新平;;結(jié)構(gòu)變化對(duì)Cu/Sn-58Bi/Cu微焊點(diǎn)電遷移行為和組織演變的影響[J];金屬學(xué)報(bào);2012年06期

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本文編號(hào)：2560544