【摘要】：微型化趨勢下無鉛焊點(diǎn)尺寸持續(xù)減小至微米尺度(微焊點(diǎn)),無鉛界面反應(yīng)受到焊點(diǎn)尺寸、釬焊工藝過程、基體晶體取向與交互作用等因素的影響更加顯著,微焊點(diǎn)的可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。但是,目前經(jīng)典的界面反應(yīng)“熟化理論”模型無法解釋微型化趨勢下無鉛界面反應(yīng)面臨的新問題。本論文研究了尺寸效應(yīng)、釬焊工藝過程、基體晶體取向與交互作用等因素對純Sn及Sn-Ag-Cu無鉛焊點(diǎn)與Cu、Ni基體界面反應(yīng)的影響,基于原子擴(kuò)散通量控制的動力學(xué)理論及團(tuán)簇形核理論,分別闡明了不同因素對界面微觀組織的影響機(jī)制,建立了濃度梯度控制(CGC)的液／固界面反應(yīng)理論模型,從理論和實(shí)驗(yàn)上詮釋了無鉛焊點(diǎn)界面反應(yīng)尺寸效應(yīng)的規(guī)律性；利用同步輻射實(shí)時成像技術(shù)原位表征了無鉛釬焊工藝過程對微焊點(diǎn)界面反應(yīng)的影響規(guī)律；揭示了微焊點(diǎn)中基體晶體取向與交互作用對界面金屬間化合物(IMC)演變的影響機(jī)制；初步評價了微焊點(diǎn)界面組織對其拉伸性能的影響規(guī)律。論文主要研究結(jié)果總結(jié)如下：1.尺寸效應(yīng)對焊點(diǎn)界面反應(yīng)影響的研究表明：焊點(diǎn)尺寸的減小改變了釬焊界面反應(yīng)中焊點(diǎn)界面處的溶質(zhì)原子(Cu)通量,從而導(dǎo)致了界面反應(yīng)尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生。具體表現(xiàn)為隨著焊點(diǎn)尺寸減小,Sn-xAg-yCu/Cu焊點(diǎn)內(nèi)平均Cu濃度增加,界面Cu6Sn5晶粒直徑增加,界面IMC厚度增加,Cu基體消耗減少；Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni-P焊點(diǎn)內(nèi)平均Cu濃度下降速率增加,進(jìn)而加速了界面IMC由針狀和短棒狀(Cu,Ni)6Sn5轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝骟w狀(Cu,Ni)6Sn5,再轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧詈蛪K狀(Ni,Cu)3Sn4的進(jìn)程；Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni-P焊點(diǎn)Cu側(cè)(Cu,Ni)6Sn5晶粒直徑增加,Cu基體消耗減少,Ni側(cè)界面IMC保持針狀的(Cu,Ni)6Sn5且厚度增加�；谠油拷⒘藵舛忍荻瓤刂�(CGC)的液／固界面反應(yīng)理論模型,其計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好,揭示了界面溶質(zhì)原子(Cu)濃度梯度是產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的根本原因；濃度梯度控制(CGC)的界面反應(yīng)理論模型同樣適用于Ni基體上的界面反應(yīng)。2.釬焊工藝過程對焊點(diǎn)界面反應(yīng)影響的研究表明：界面Cu6Sn5晶粒在升溫階段以0.11 μm/s的速率向釬料內(nèi)溶解,在保溫階段以扇貝狀晶粒形貌緩慢生長,而在降溫階段快速向釬料內(nèi)生長使得高寬比增加,生長速率達(dá)到0.04μm/s;界面片狀A(yù)g3Sn相在升溫階段以0.1-0.2刪s的速率完全溶入釬料,在降溫階段過冷(過冷度為31-55℃)條件下以超過5μm/s的速率在界面處隨機(jī)析出；在溫度梯度作用下片狀A(yù)g3Sn相傾向于在冷端析出,熱端析出的片狀A(yù)g3Sn相傾向于再溶解進(jìn)入釬料。闡明了液態(tài)團(tuán)簇形核對片狀A(yù)g3Sn相隨機(jī)析出以及在溫度梯度下傾向于在冷端析出的作用機(jī)理,揭示了Ag原子熱遷移通量與化學(xué)勢通量相互作用導(dǎo)致Ag3Sn相熱端溶解與冷端生長的機(jī)制。3.基體晶體取向與交互作用對焊點(diǎn)界面反應(yīng)影響的研究表明：對于多晶基體微焊點(diǎn),Cu/Sn/Cu微焊點(diǎn)界面形成扇貝狀Cu6Sn5晶粒,并隨反應(yīng)時間熟化與合并長大,最終形成全I(xiàn)MC焊點(diǎn)；Cu/Sn/Ni微焊點(diǎn)中,交互作用促進(jìn)了Ni原子參與Cu側(cè)界面反應(yīng)生成細(xì)小的(Cu,Ni)6Sn5晶粒,而Cu原子擴(kuò)散至Ni側(cè)界面加速了針狀的(Cu,Ni)6Sn5晶粒的生長,最終形成的全I(xiàn)MC焊點(diǎn)內(nèi)有孔洞殘留。對于單晶基體微焊點(diǎn),300℃下(001)Cu基體界面生成相互垂直規(guī)則排列的棱晶狀Cu6Sn5晶粒,但隨反應(yīng)時間的延長逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o擇優(yōu)取向的扇貝狀形貌；250℃下(001)Ni基體界面能夠形成平行排列的針狀(Cu,Ni)6Sn5晶粒。闡明了界面兩側(cè)Cu6Sn5晶粒生長接近后加速生長的驅(qū)動力是界面兩側(cè)Cu原子熟化通量的交互作用,揭示了晶界遷移是兩側(cè)相對晶粒合并形成單一晶粒的機(jī)制；基于Cu原子通量控制的動力學(xué)與團(tuán)簇理論,闡明了Cu-Ni交互作用與基體晶體取向影響下界面IMC形核生長與演變(形貌、取向)的機(jī)理。4.微焊點(diǎn)拉伸性能的研究表明：隨界面IMC厚度增加,微焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度增加、脆性增大,斷裂位置由釬料內(nèi)部向IMC界面轉(zhuǎn)變；與釬料焊點(diǎn)相比,全I(xiàn)MC焊點(diǎn)具有更高的拉伸強(qiáng)度(Cu/IMC/Cu焊點(diǎn)達(dá)到93MPa,Cu/IMC/Ni焊點(diǎn)達(dá)到110 MPa); Cu/IMC/Cu焊點(diǎn)的斷裂發(fā)生在Cu3Sn/Cu6Sn5界面上,而Cu/IMC/Ni焊點(diǎn)的斷裂發(fā)生在兩側(cè)(Cu,Ni)6Sn5生長融合相接觸的界面上；原位表征了裂紋在界面缺陷及應(yīng)力集中位置萌生與擴(kuò)展并導(dǎo)致微焊點(diǎn)斷裂的過程；闡明了微焊點(diǎn)界面IMC對釬料產(chǎn)生約束應(yīng)力導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度增加的機(jī)理。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG40

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本文編號：2447358