本文關鍵詞：微互連界面化合物生長規(guī)律及Mn對SnAgCu焊料合金性能影響

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【摘要】：隨著電子產(chǎn)品輕薄化、微型化以及功能集成化的飛速發(fā)展,電子封裝產(chǎn)業(yè)在此大環(huán)境下對封裝結構的高性能、高可靠的要求也日益提高。在電子產(chǎn)品的服役過程中,焊點界面承擔著可靠性連接核心部位的角色,不斷地受到來源于外部、內部電載荷、熱作用的沖擊。因此,作為整個釬焊結構唯一的冶金結合產(chǎn)物,界面金屬間化合物(Intermetallic Compound,IMC)的生長行為與形貌演變規(guī)律的探究變得尤為重要。界面金屬間化合物的形貌、厚度以及缺陷直接決定著整個電子系統(tǒng)的服役可靠性和使用壽命。因此,本文以焊Sn、Sn3Ag0.5Cu焊料與Cu襯底基板為研究對象,研究了在空冷和水冷條件下界面IMC的生長動力學與晶粒尺寸演變規(guī)律,以及界面IMC厚度與焊點熱導率之間的關系,并就此展開了深入的分析討論。全文的主要內容和研究結果如下:本文通過對釬焊過程實施空冷、水冷條件,研究了焊點界面處IMC粒徑分布與形貌生長特性規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),在相同時間條件下,水冷條件下Cu6Sn5相的生長動力指數(shù)小于空冷條件下的生長動力指數(shù)。并且水冷條件下最終形成的顆粒平均直徑小于空冷條件下的晶粒平均直徑,這是由于相比空冷條件,水冷條件下Cu6Sn5相缺少了一個冷卻凝固過程中從液相焊Sn中析出于Cu6Sn5頂部前沿的生長過程。界面Cu6Sn5相形成小面棱形形貌主要是冷卻過程中的激冷導致的焊點中心部位到邊緣位置上巨大的能量梯度,從而影響Cu6Sn5相的長大所需的能量而形成的形貌上的差異。界面處Cu6Sn5相形核后的生長過程可以歸結為:競爭生長(垂直于基板方向)→均勻生長(平行于基板方向)→競爭生長(垂直于基板方向)→均勻生長(平行于基板方向)。本文通過測量不同時效溫度、不同時效時間下焊點的熱導率,研究了界面IMC厚度增長與焊點結構熱導率變化的內在聯(lián)系。研究表明,相同溫度下時效后,接頭的熱導率隨著時效時間的增加而減小;相同時效時間下,接頭的熱導率隨著時效溫度的增加而減小。主要原因為IMC厚度的增加導致接頭整體導熱性能的下降。XRD衍射結果顯示,純Cu基板在4種時效溫度及4種時效時間下均只形成了Cu6Sn5相,并無Cu3Sn相的形成。從而確保了IMC厚度演變過程中界面相的單一性,并未有第二相或者是其他因素的干擾。本文通過在SAC焊料中添加Mn微米粉末以制備新型焊料合金,研究了合金元素對焊料合金的凝固、熱力以及機械性能的影響。結果表明,Mn的加入降低了合金的過冷度,且加入量為1.0%時,抑制效果最好。加入的Mn粉在粉末狀的焊料合金的熔化過程中是沒有直接熔化的,而是以擴散的形式溶解到合金中的。Mn的加入在焊料合金中形成了異質金屬間化合物Sn2Mn,并且隨著Mn加入在回流焊接的時候SACM/Cu接頭處的IMC層厚度增大,Mn加入量為1.0%時IMC最厚大。但在時效時,SACM/Cu接頭的IMC層厚度與SAC/Cu的相比變化不大。Mn的添加提高了焊料合金的硬度,并使接頭由焊料塑性斷裂轉變?yōu)榛旌蠑嗔训絀MC層脆性斷裂,使接頭的拉伸強度降低。在時效過程中,SAC/Cu和SACM/Cu接頭的拉伸強度都有所提高。
【關鍵詞】：金屬間化合物 生長動力學 熱導率 Mn元素
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG454
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-24
• 1.1 電子封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及焊料的無鉛化9-11
• 1.2 釬焊技術中的可靠性問題11-13
• 1.2.1 錫晶須11-12
• 1.2.2 熱機械應力12-13
• 1.3 界面反應的擴散、生長動力學13-18
• 1.3.1 Cu-Sn系統(tǒng)二元相圖13-15
• 1.3.2 擴散動力學15-16
• 1.3.3 晶界擴散理論16-18
• 1.4 熟化現(xiàn)象及不同形貌的Cu_6Sn_5相生長動力學18-21
• 1.5 釬焊結構傳熱理論21-23
• 1.6 選題的意義及研究內容23-24
• 2 實驗材料及方法24-29
• 2.1 實驗材料的準備24
• 2.1.1 粒徑分布試驗材料24
• 2.1.2 導熱試驗材料24
• 2.1.3 合金化試驗材料24
• 2.2 焊接接頭的制備24-25
• 2.3 熱流量法測導熱系數(shù)25-26
• 2.4 XRD方法檢測界面處相成分26-27
• 2.5 焊接接頭的金相制備27-28
• 2.5.1 晶粒尺寸分布的金相制備27
• 2.5.2 測量導熱試樣截面的金相制備27
• 2.5.3 添加合金元素的接頭金相制備27-28
• 2.6 分析測試方法28-29
• 2.6.1 焊接接頭正面、截面的顯微組織觀察及分析28
• 2.6.2 接頭界面金屬間化合物晶粒尺寸分布的測量28
• 2.6.3 接頭界面金屬間化合物層厚度的測量28-29
• 3 回流時間對界面Cu_6Sn_5相的晶粒尺寸分布與生長的影響29-41
• 3.1 引言29-30
• 3.2 Sn/Cu焊接接頭上的Cu_6Sn_5相形貌30-35
• 3.3 回流時間對界面Cu_6Sn_5相生長的影響討論35-37
• 3.4 圓形形貌和棱形形貌的討論37
• 3.5 界面Cu_6Sn_5相生長動力機理及生長模型的假設37-39
• 3.6 本章小結39-41
• 4 界面IMC生長對接頭熱導率的影響41-48
• 4.1 引言41
• 4.2 時效條件下接頭的熱導率41-43
• 4.3 時效條件下焊點截面組織形貌及生長曲線43-45
• 4.4 Cu基板與鍍Ag基板界面XRD分析45-47
• 4.5 本章小結47-48
• 5 添加合金元素對SAC焊料合金的影響48-55
• 5.1 引言48-49
• 5.2 熱分析實驗結果49-50
• 5.3 Cu基板與SnAgCu-xMn界面顯微組織和微觀形貌50-53
• 5.4 硬度和拉伸性能分析53-54
• 5.5 本章小結54-55
• 6 全文結論55-56
• 致謝56-57
• 參考文獻57-63
• 附錄63
• 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄63

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本文編號：770723