Zn元素對SnAgCu（0507）釬料組織及界面層的影響
發(fā)布時間：2021-11-24 17:48
隨著電子設備不斷向微型化和輕量化的方向發(fā)展,如何提高IC芯片與PCB基板結(jié)合界面性能得到了人們的日益重視。在電子設備服役期間,釬料在各個元器件之間建立起橋梁以便電子信號在IC芯片之間進行相互交換,從而維持電子產(chǎn)品的正常運轉(zhuǎn)。因此研發(fā)高性能釬料成為當前電子封裝領域的研究熱點。目前國際社會常用的釬料為高銀Sn-Ag-Cu釬料,該釬料具有良好鋪展性能、導電性和熱穩(wěn)定性等特點,但由于該釬料中Ag含量較高,且Ag與Cu之間結(jié)合性差,導致該焊料在焊后凝固過程中界面層處生成大塊Ag3Sn金屬間化合物（IMCs）降低了界面層的可靠性限制了該焊料在電子封裝領域的推廣。因此,優(yōu)化低銀Sn-Ag-Cu釬料的成分配比并提高焊接接頭強度成為當前研究熱點之一。本文采用合金凝固理論,通過冶金熔煉的方法將不同含量的Zn（x=0,0.1,0.4,0.7,1.0,2.0wt.%）添加到低銀 Sn-0.5Ag-0.7Cu（簡稱 SAC（0507））,探究 Zn 元素對 Sn-0.5Ag-0.7Cu釬料物理性能和焊接性能的影響,從而達到代替高銀Sn-Ag-Cu釬料的目的。通過對SAC（0507）-xZn釬料的顯微組織、熱行為...
【文章來源】：西安理工大學陜西省
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
微電子產(chǎn)品的三級封裝Fig.1-1Three-LevelPackagingofMicroelectronicProducts
轄鶼低?對于電子封裝工藝，無論是采用哪種焊接方法，釬料合金成分及其配比均是影響封裝質(zhì)量的關鍵因素，目前采用的電子封裝釬料體系主要包括Sn–Bi、Sn–Cu、Sn–Zn、Sn–Ag釬料系合金等。1.3.1Sn–Pb釬料由于Sn–Pb釬料具有低成本、鋪展性能好和焊接接頭力學性能優(yōu)異等優(yōu)點，而被用于組裝電子產(chǎn)品長達50年之久[9,10]，共晶或近共晶Sn–Pb釬料合金最為常見[11,12]。圖1-4為Sn–Pb二元合金相圖，由圖可知Sn–Pb共晶組成為Sn–37wt%Pb，共晶溫度點為183℃，其微觀組織主要由β-Sn相、α-Pb相以及片狀共晶組織構成。圖1-4Sn–Pb二元相圖Fig.1-4Sn–PbbinaryPhaseDiagram在Sn–Pb合金系中，Pb元素在改善了熔融釬料的表面張力的同時稀釋釬料中Sn原子的濃度，從而有效減輕了Sn原子與基板發(fā)生過于劇烈的冶金結(jié)合反應，提高了Sn–Pb釬料在基板上的鋪展性能[7]。Yao等人[13]通過向Sn–Pb釬料中加入微量P元素后，發(fā)現(xiàn)P元素的加入細化了釬料表面氧化膜的晶粒的同時改善熔融釬料合金表面氧化膜的致密度，因此Sn–Pb釬料的抗氧化性得到改善。Zhu等人在Sn–Pb釬料中添加適量RE元素后，發(fā)現(xiàn)該焊料的顯微組織明顯細化，從而增加該焊料中各相之間的位錯壁壘，因此Sn-Pb釬料的拉伸強度得到提高[14]。Zhang等人通過向Sn–Pb釬料中添加In元素，發(fā)現(xiàn)In元素改善了釬料熔點的同時提高了釬焊對接接頭的抗拉強度，當Sn–Pb釬料中In含量達到3wt.%時，此時界面層強度達到最大值[15]。盡管Sn–Pb釬料以其優(yōu)良的性能在電子封裝中得到廣泛的應用，但同時存在著缺點。例如Sn–Pb釬料的共晶溫度較低，導致其再結(jié)晶溫度也比較低，因此該釬料會出現(xiàn)由于沒有明顯的冷作硬化而導致其在切削加工過程中出現(xiàn)明顯的粘性。此外，由于Pb及其含Pb化合物含有毒性，在使用以及
1緒論51.3.2Sn–Bi釬料由于Sn–Bi釬料綜合性能優(yōu)良且熔點較低，因而成為當前流行的無鉛釬料之一[16]。圖1-5為Sn–Bi二元釬料合金相圖，由圖可知該合金系在共晶點處的成分為Sn58.0wt%Bi，共晶溫度點為139℃，其微觀形貌主要由交替的層狀富Bi相和初生β-Sn相組成。圖1-5Sn–Bi二元相圖Fig.1-5Sn–BiBinaryPhaseDiagramMolhtari等人[17]向Sn–Bi釬料中分別加入Ni和In元素進行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)Ni元素與Sn-Bi釬料中Sn原子結(jié)合形成Ni3SnIMCs，從而導致該釬料延伸率相比較Sn–Bi釬料降低，而In元素的加入細化并分散了初生β-Sn基體上的富Bi相，從而有效提高了Sn–Bi釬料的延伸率。Shen等人[18]通過向Sn–Bi釬料中添加0.1wt.%Cu元素進行研究后，發(fā)現(xiàn)添加Cu元素會減小Sn–Bi釬料的熔化溫度和熔程，并進一步對Sn–Bi–Cu釬料合金的力學性能進行分析，發(fā)現(xiàn)Cu元素的加入有效改善Sn–Bi釬料釬料的極限抗拉強度以及其延展性，并將其歸因于Cu原子與Sn原子結(jié)合生成的Cu6Sn5IMCs均勻分布在Sn–Bi釬料中，從而對Sn–Bi釬料起到強化作用。Chen等人[19]研究發(fā)現(xiàn)，In可有效減小Sn–Bi釬料的熔點，當添加量為1.0wt.%時，Sn–58Bi釬料熔點下降了5℃，同時發(fā)現(xiàn)，釬焊溫度對潤濕面積也具有一定的影響，釬焊溫度越高潤濕面積越大。但Bi元素本身具有極大的脆性，而Sn–Bi共晶釬料中Bi含量達到58wt.%，這就造成Sn–Bi共晶釬料合金具有較大硬度和脆性，從而導致該釬料的拉伸強度下降。另一方面，若Bi含量過小使得釬料的凝固區(qū)間增大，因此會導致在焊接過程中由于熔融焊料存在時間過長出現(xiàn)界面層剝離現(xiàn)象。且在制備Sn–Bi釬料時，當熔化溫度降至190℃時，Bi容易在釬料中偏析，從而產(chǎn)生較大的Bi富集相，導致釬料內(nèi)部的脆性增加，最終對該釬料強度造成很大的影響[2
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Sn–xAg無鉛焊料中Ag含量對其顯微組織、腐蝕行為和與Cu基體界面反應的影響（英文）[J]. Phacharaphon TUNTHAWIROON,Kannachai KANLAYASIRI. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(08)
[2]晶圓級芯片尺寸封裝Sn-3.0Ag-0.5Cu焊點跌落失效模式（英文）[J]. 黃明亮,趙寧,劉爽,何宜謙. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(06)
[3]A Study on Plastic Deformation Resistance of Sn-Pb-RE Solder[J]. 朱穎,康慧,曲平,方洪淵,錢乙余. Journal of Rare Earths. 1999(04)
碩士論文
[1]Ga對低銀Sn-Ag-Cu無鉛釬料的組織和性能的影響[D]. 羅冬雪.南京航空航天大學 2015
本文編號：3516476
【文章來源】：西安理工大學陜西省
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
微電子產(chǎn)品的三級封裝Fig.1-1Three-LevelPackagingofMicroelectronicProducts
轄鶼低?對于電子封裝工藝，無論是采用哪種焊接方法，釬料合金成分及其配比均是影響封裝質(zhì)量的關鍵因素，目前采用的電子封裝釬料體系主要包括Sn–Bi、Sn–Cu、Sn–Zn、Sn–Ag釬料系合金等。1.3.1Sn–Pb釬料由于Sn–Pb釬料具有低成本、鋪展性能好和焊接接頭力學性能優(yōu)異等優(yōu)點，而被用于組裝電子產(chǎn)品長達50年之久[9,10]，共晶或近共晶Sn–Pb釬料合金最為常見[11,12]。圖1-4為Sn–Pb二元合金相圖，由圖可知Sn–Pb共晶組成為Sn–37wt%Pb，共晶溫度點為183℃，其微觀組織主要由β-Sn相、α-Pb相以及片狀共晶組織構成。圖1-4Sn–Pb二元相圖Fig.1-4Sn–PbbinaryPhaseDiagram在Sn–Pb合金系中，Pb元素在改善了熔融釬料的表面張力的同時稀釋釬料中Sn原子的濃度，從而有效減輕了Sn原子與基板發(fā)生過于劇烈的冶金結(jié)合反應，提高了Sn–Pb釬料在基板上的鋪展性能[7]。Yao等人[13]通過向Sn–Pb釬料中加入微量P元素后，發(fā)現(xiàn)P元素的加入細化了釬料表面氧化膜的晶粒的同時改善熔融釬料合金表面氧化膜的致密度，因此Sn–Pb釬料的抗氧化性得到改善。Zhu等人在Sn–Pb釬料中添加適量RE元素后，發(fā)現(xiàn)該焊料的顯微組織明顯細化，從而增加該焊料中各相之間的位錯壁壘，因此Sn-Pb釬料的拉伸強度得到提高[14]。Zhang等人通過向Sn–Pb釬料中添加In元素，發(fā)現(xiàn)In元素改善了釬料熔點的同時提高了釬焊對接接頭的抗拉強度，當Sn–Pb釬料中In含量達到3wt.%時，此時界面層強度達到最大值[15]。盡管Sn–Pb釬料以其優(yōu)良的性能在電子封裝中得到廣泛的應用，但同時存在著缺點。例如Sn–Pb釬料的共晶溫度較低，導致其再結(jié)晶溫度也比較低，因此該釬料會出現(xiàn)由于沒有明顯的冷作硬化而導致其在切削加工過程中出現(xiàn)明顯的粘性。此外，由于Pb及其含Pb化合物含有毒性，在使用以及
1緒論51.3.2Sn–Bi釬料由于Sn–Bi釬料綜合性能優(yōu)良且熔點較低，因而成為當前流行的無鉛釬料之一[16]。圖1-5為Sn–Bi二元釬料合金相圖，由圖可知該合金系在共晶點處的成分為Sn58.0wt%Bi，共晶溫度點為139℃，其微觀形貌主要由交替的層狀富Bi相和初生β-Sn相組成。圖1-5Sn–Bi二元相圖Fig.1-5Sn–BiBinaryPhaseDiagramMolhtari等人[17]向Sn–Bi釬料中分別加入Ni和In元素進行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)Ni元素與Sn-Bi釬料中Sn原子結(jié)合形成Ni3SnIMCs，從而導致該釬料延伸率相比較Sn–Bi釬料降低，而In元素的加入細化并分散了初生β-Sn基體上的富Bi相，從而有效提高了Sn–Bi釬料的延伸率。Shen等人[18]通過向Sn–Bi釬料中添加0.1wt.%Cu元素進行研究后，發(fā)現(xiàn)添加Cu元素會減小Sn–Bi釬料的熔化溫度和熔程，并進一步對Sn–Bi–Cu釬料合金的力學性能進行分析，發(fā)現(xiàn)Cu元素的加入有效改善Sn–Bi釬料釬料的極限抗拉強度以及其延展性，并將其歸因于Cu原子與Sn原子結(jié)合生成的Cu6Sn5IMCs均勻分布在Sn–Bi釬料中，從而對Sn–Bi釬料起到強化作用。Chen等人[19]研究發(fā)現(xiàn)，In可有效減小Sn–Bi釬料的熔點，當添加量為1.0wt.%時，Sn–58Bi釬料熔點下降了5℃，同時發(fā)現(xiàn)，釬焊溫度對潤濕面積也具有一定的影響，釬焊溫度越高潤濕面積越大。但Bi元素本身具有極大的脆性，而Sn–Bi共晶釬料中Bi含量達到58wt.%，這就造成Sn–Bi共晶釬料合金具有較大硬度和脆性，從而導致該釬料的拉伸強度下降。另一方面，若Bi含量過小使得釬料的凝固區(qū)間增大，因此會導致在焊接過程中由于熔融焊料存在時間過長出現(xiàn)界面層剝離現(xiàn)象。且在制備Sn–Bi釬料時，當熔化溫度降至190℃時，Bi容易在釬料中偏析，從而產(chǎn)生較大的Bi富集相，導致釬料內(nèi)部的脆性增加，最終對該釬料強度造成很大的影響[2
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Sn–xAg無鉛焊料中Ag含量對其顯微組織、腐蝕行為和與Cu基體界面反應的影響（英文）[J]. Phacharaphon TUNTHAWIROON,Kannachai KANLAYASIRI. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(08)
[2]晶圓級芯片尺寸封裝Sn-3.0Ag-0.5Cu焊點跌落失效模式（英文）[J]. 黃明亮,趙寧,劉爽,何宜謙. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(06)
[3]A Study on Plastic Deformation Resistance of Sn-Pb-RE Solder[J]. 朱穎,康慧,曲平,方洪淵,錢乙余. Journal of Rare Earths. 1999(04)
碩士論文
[1]Ga對低銀Sn-Ag-Cu無鉛釬料的組織和性能的影響[D]. 羅冬雪.南京航空航天大學 2015
本文編號：3516476
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