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Sn基无铅焊料在应用过程中的一个典型问题是因含Sn量高达90%以上所致的Sn与Cu基板的快速界面反应而生成过厚的Cu-Sn金属间化合物(IMC),过厚的IMC会劣化焊点机械和热疲劳性能,降低电子产品的可靠性。
本文以新型Sn-0.4Co-0.7Cu焊料和商业化Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料作为研究对象,以自主研制的实验室焊点制备平台模拟实际生产的回流焊点,藉单轴拉伸试验、SEM/EDS和XRD分析等,通过对焊点在85℃、120℃、150℃三种温度下分别时效0h,24h,168h,500h,1000h的焊点的界面拉伸强度、IMC的成分和结构、IMC的厚度以及其生长动力学等的研究,为Sn-0.4Co-0.7Cu焊料的开发应用和无铅焊点可靠性设计提供实验依据,得出如下成果:
自主研制的实验室焊点制备平台不仅可获得不同尺寸的焊点,而且可显著降低实验室研究的成本。
总体而言,同等时效条件下Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点的拉伸性能略优于Cu/Sn-0.4Co-0.7Cu/Cu焊点。相同温度时,两种焊点的抗拉强度都随时效时间的延长而呈指数关系下降,且塑性变形能力逐渐降低;相同时效时间条件下,时效温度的升高会导致两种焊点的抗拉强度呈线性关系下降,但下降速率趋缓。时效温度升高和时效时间延长导致焊点的起裂点由Soldcr/IMC界面向IMC/IMC界面转移,断裂机理从以韧性断裂为主发展为完全的脆性断裂模式。
钎焊过程中Solder/Cu界面形成的IMC的生长受反应扩散的控制,生长速度较快;随时效时间延长,IMC层厚度不断增加,其生长过程逐渐转变为受晶界扩散和体扩散控制,生长速度变慢。
在150℃高温时效条件下Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点界面IMC分层明显,且离散分布着Kirkendall孔洞,500小时时效后的半焊点结构为Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Solder;Sn-0.4Co-0.7Cu的半焊点结构为Cu/Cu6Sn5/Solder,无明显分层,基体内的IMC主要为三元(Co,Cu)Sn2和(Cu,Co)6Sn5相。
两种焊点界面的IMC生长厚度及生长速率与时效时间的平方根√h成正比,其中Sn-0.4Co-0.7Cu焊点界面的IMC生长对时效时间更为敏感。Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-0.4Co-0.7Cu两种焊点界面IMC生长(扩散)扩散激活能分别为14167.8J/mol和2996.85 J/mol。