液态时效条件下sn18bixcucu焊点显微组织分析(附件)【字数：16959】
摘 要摘 要当今世界，尤其是发达国家，虽然Sn-Pb钎料的工艺性能及物理性能较好，但是它的接头可靠性、材料的环境协调性甚至力学性能都已经无法满足日常的生产生活需要。随着使用者环保意识的逐渐加强和对自身身体健康越来越重视，世界电子工业都朝着电子产品无铅化的方向发展，包括中国在内的世界主流发达国家都在大力发展电子工艺的无铅化。目前已经投入生产的Sn-Bi系无铅钎料由于存在着质脆、塑性较差等问题，十分容易影响焊接接头的可靠性。而且，其界面IMC层微观形貌随着温度而发生改变也会影响电子产品的使用寿命。为了改善Sn-Bi系无铅钎料的性能，可以选择在二元钎料合金的基础上添加第三种金属元素，利用合金化的方法开发三元钎料合金。本文研究的是Sn-18Bi-xCu三元无铅钎料Sn-18Bi、Sn-18Bi-0.3Cu、Sn-18Bi-0.5Cu、Sn-18Bi-1.0Cu。主要研究了母材成分为Cu时焊点与母材界面处IMC的微观组织形貌、界面IMC生长行为、断裂面的显微组织以及探究了Cu元素的添加如何对焊点的可靠性产生影响。添加Cu能够细化富Bi相，富Bi相以细小弥散的形式存在于钎料基体中，能够降低钎料合金的熔点。添加Cu也能够提高合金自身的抗拉强度，这主要是由于在合金基体中棒状Cu6Sn5金属间化合物起到的钉扎强化作用。对于Sn-18Bi-xCu/Cu焊点液态时效一段时间后发现，在同等条件下Sn-18Bi-1.0Cu/Cu焊点界面IMC层最薄。关键词Sn-Bi-Cu钎料；金属间化合物；显微组织；液态时效
目 录
第1章 绪论 1
1.1 电子封装的无铅化发展 1
1.2 无铅钎料的发展 2
1.2.1 无铅钎料的开发 2
1.2.2 无铅钎料的研究现状 3
1.3 钎料基板间的固/液界面反应 4
1.4 焊点可靠性及液态时效机制 5
1.4.1 焊点可靠性 5
1.4.2 液态时效对焊点可靠性的影响 5
1.5 研究目的和内容 6
第2章 试验方法 8
2.1 钎料制备 8
2.2 热分析试验 8
2.3 回流焊试验 9
2.4 钎料合金及焊点界面处IMC的微观形 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
貌 10
2.5 焊点的液态时效处理 11
2.6 钎料合金的抗拉强度测试 11
2.7 焊点的抗剪强度测试 11
第3章 结果与分析 13
3.1 Sn18BixCu显微组织 13
3.2 Sn18BixCu热分析 15
3.3 Sn18BixCu钎料拉伸性能研究 16
3.3.1 拉伸性能测试 16
3.3.2 拉伸断口分析 17
3.4 焊点抗剪切性能测试 20
3.4.1 焊点断口形貌分析 20
3.4.2 焊点剪切试验 24
3.5 液态时效对Sn18BixCu/Cu焊点界面组织形貌的影响 25
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
绪论
电子封装的无铅化发展
这些年来，随着移动互联网的发展，电子设备也呈多元化发展的趋势，各种电子设备和系统朝着更轻、更短、更薄、尺寸更小、功能更多、功耗更少、可靠性更高等趋势发展。想要朝着这些方向发展，首先，集成电路技术正在向超小型方向发展，特征尺寸也从非纳米级别进一步发展到了纳米领域，使得集成电路芯片的性能得到了迅速提高；然后，电子封装也朝着引脚更多，可靠性更高，更加三维立体以及功能更多的方向快速发展[1]。
上个世纪初，二极管的发明宣布了人类开始正式迈入了电子时代。电子封装在二十世纪大致经历了两个阶段：第一阶段为插装型，第二阶段为表面贴装型的四方扁平封装。而到了二十一世纪，电子封装也开始进入了第三阶段：平面阵列型。电子封装正在朝着更小的尺寸，更多的功能，更加立体的结构等方向发展。因此，其对封装所用的钎料以及封装工艺的标准也有了更加严格的要求[2]。
在电子封装的发展过程中，因为Pb拥有良好的延展性、柔软性以及润湿性，熔点低，成本低，焊点可靠性高等优点，在过去的电子封装中往往都使用含铅钎料，因此，国内大多数电子厂商是依据含铅钎料的工艺特性分布产线。但是因为铅是有毒金属的缘故，过量使用含铅材料不但会造成恶劣的环境污染，也会大大危害到使用者的身体健康。由于世界各国对于绿色环保越来越重视，因此不再一味追求着产品拥有优良的性能，另一方面也开始注意它的环保，无毒害，绿色等特点[3]。世界各国开始限制甚至禁止使用含铅材料，电子工业也慢慢开始抛弃了传统的含铅钎料，开始开发并使用更为绿色的无铅钎料，所以，发现并开发更多的无铅钎料并且开始在钎焊过程中去除铅的使用成为了微电子工业发展的重要方向。
目前，欧美等地区的许多发达国家已经开始发展具有环保理念的绿色无污染无铅钎料，如SnAgCu系、SnZn系、SnBi系等无铅钎料[4]。通过与含铅钎料进行一定的对比，这些无铅钎料的力学性能，润湿性，熔点，耐热性，抗疲劳能力以及蠕变特性等性能较为良好，但仍需改善。由于在钎焊过程中，Sn基钎料表现出较好的润湿性，因此，各国对于无铅钎料的研究主要集中在Sn基无铅钎料的开发中。由于SnBi系钎料合金的熔点比较低，使得电路板与电子元器件对于耐热性的要求降低，也不会出现经时变化和浸润变差等传统问题，力学性能也比较好。但是，SnBi钎料也存在一些弊端，SnBi合金的抗冲击性比较差，焊锡凝固以后Bi由于失去固溶度，从焊锡中析出板状的Bi晶粒。SnBi合金在实际的生产过程中也很容易出现问题，比如必须采用熔点在190℃左右的焊锡[5]。通过其相图可知，SnBi的固液共存温度非常宽，这也使得SnBi钎料常常发生固液偏析现象。另外SnBi合金和某些元素匹配性较差，自身耐热性也比较差。
无铅钎料的发展
无铅钎料的开发
与传统的含铅钎料相比，绿色环保的无铅钎料的制备过程中需要禁止添加或者添加微量具有毒性的Pb元素。而无铅钎料不但要在性能方面，要求比传统钎料具有更好的熔点，耐热疲劳，强度，蠕变特性，更要具备绿色环保，节约成本等特点，否则难以体现无铅钎料与含铅钎料根本性的差异。
在研究各种无铅钎料的润湿行为中，研究者发现含有Sn基的无铅钎料具有较好的润湿性。因此，研究者在开发二元无铅钎料时通常都是把SnPb共晶合金中的铅元素替换成其他元素。比较常见的二元无铅合金体系有锡金系、锡铋系、锡银系、锡铟系、锡锌系、锡锑系、锡铜系等体系。
由于在过去的生产过程中，使用含铅钎料有着成本低廉，润湿良好，焊点稳定性较高等特点，而且我国并未出台相关法律制止企业使用含铅钎料，传统的大型电子产品生产厂商的产品通常只是对内销售，导致了我国无铅钎料使用的需求并没有欧美日等发达国家旺盛。可是随着我国经济的发展，许多企业面临着产品由于使用了含铅钎料而无法出口的问题。近些年来，伴随世界使用无铅钎料的大环境，我国也开始加大了对无铅钎料取代含铅钎料的研究。因此，研究的无铅钎料不仅在性能上要超过传统的含铅钎料，而且在工艺成本上也必须与含铅钎料相近甚至更低，这样才能适应我国电子行业产线的分布[6]。
如果想要使得无铅钎料达到或者超过传统含铅钎料的性能，并且能够达到制造及使用上的要求，需要满足以下条件：
目 录
第1章 绪论 1
1.1 电子封装的无铅化发展 1
1.2 无铅钎料的发展 2
1.2.1 无铅钎料的开发 2
1.2.2 无铅钎料的研究现状 3
1.3 钎料基板间的固/液界面反应 4
1.4 焊点可靠性及液态时效机制 5
1.4.1 焊点可靠性 5
1.4.2 液态时效对焊点可靠性的影响 5
1.5 研究目的和内容 6
第2章 试验方法 8
2.1 钎料制备 8
2.2 热分析试验 8
2.3 回流焊试验 9
2.4 钎料合金及焊点界面处IMC的微观形 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
貌 10
2.5 焊点的液态时效处理 11
2.6 钎料合金的抗拉强度测试 11
2.7 焊点的抗剪强度测试 11
第3章 结果与分析 13
3.1 Sn18BixCu显微组织 13
3.2 Sn18BixCu热分析 15
3.3 Sn18BixCu钎料拉伸性能研究 16
3.3.1 拉伸性能测试 16
3.3.2 拉伸断口分析 17
3.4 焊点抗剪切性能测试 20
3.4.1 焊点断口形貌分析 20
3.4.2 焊点剪切试验 24
3.5 液态时效对Sn18BixCu/Cu焊点界面组织形貌的影响 25
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
绪论
电子封装的无铅化发展
这些年来，随着移动互联网的发展，电子设备也呈多元化发展的趋势，各种电子设备和系统朝着更轻、更短、更薄、尺寸更小、功能更多、功耗更少、可靠性更高等趋势发展。想要朝着这些方向发展，首先，集成电路技术正在向超小型方向发展，特征尺寸也从非纳米级别进一步发展到了纳米领域，使得集成电路芯片的性能得到了迅速提高；然后，电子封装也朝着引脚更多，可靠性更高，更加三维立体以及功能更多的方向快速发展[1]。
上个世纪初，二极管的发明宣布了人类开始正式迈入了电子时代。电子封装在二十世纪大致经历了两个阶段：第一阶段为插装型，第二阶段为表面贴装型的四方扁平封装。而到了二十一世纪，电子封装也开始进入了第三阶段：平面阵列型。电子封装正在朝着更小的尺寸，更多的功能，更加立体的结构等方向发展。因此，其对封装所用的钎料以及封装工艺的标准也有了更加严格的要求[2]。
在电子封装的发展过程中，因为Pb拥有良好的延展性、柔软性以及润湿性，熔点低，成本低，焊点可靠性高等优点，在过去的电子封装中往往都使用含铅钎料，因此，国内大多数电子厂商是依据含铅钎料的工艺特性分布产线。但是因为铅是有毒金属的缘故，过量使用含铅材料不但会造成恶劣的环境污染，也会大大危害到使用者的身体健康。由于世界各国对于绿色环保越来越重视，因此不再一味追求着产品拥有优良的性能，另一方面也开始注意它的环保，无毒害，绿色等特点[3]。世界各国开始限制甚至禁止使用含铅材料，电子工业也慢慢开始抛弃了传统的含铅钎料，开始开发并使用更为绿色的无铅钎料，所以，发现并开发更多的无铅钎料并且开始在钎焊过程中去除铅的使用成为了微电子工业发展的重要方向。
目前，欧美等地区的许多发达国家已经开始发展具有环保理念的绿色无污染无铅钎料，如SnAgCu系、SnZn系、SnBi系等无铅钎料[4]。通过与含铅钎料进行一定的对比，这些无铅钎料的力学性能，润湿性，熔点，耐热性，抗疲劳能力以及蠕变特性等性能较为良好，但仍需改善。由于在钎焊过程中，Sn基钎料表现出较好的润湿性，因此，各国对于无铅钎料的研究主要集中在Sn基无铅钎料的开发中。由于SnBi系钎料合金的熔点比较低，使得电路板与电子元器件对于耐热性的要求降低，也不会出现经时变化和浸润变差等传统问题，力学性能也比较好。但是，SnBi钎料也存在一些弊端，SnBi合金的抗冲击性比较差，焊锡凝固以后Bi由于失去固溶度，从焊锡中析出板状的Bi晶粒。SnBi合金在实际的生产过程中也很容易出现问题，比如必须采用熔点在190℃左右的焊锡[5]。通过其相图可知，SnBi的固液共存温度非常宽，这也使得SnBi钎料常常发生固液偏析现象。另外SnBi合金和某些元素匹配性较差，自身耐热性也比较差。
无铅钎料的发展
无铅钎料的开发
与传统的含铅钎料相比，绿色环保的无铅钎料的制备过程中需要禁止添加或者添加微量具有毒性的Pb元素。而无铅钎料不但要在性能方面，要求比传统钎料具有更好的熔点，耐热疲劳，强度，蠕变特性，更要具备绿色环保，节约成本等特点，否则难以体现无铅钎料与含铅钎料根本性的差异。
在研究各种无铅钎料的润湿行为中，研究者发现含有Sn基的无铅钎料具有较好的润湿性。因此，研究者在开发二元无铅钎料时通常都是把SnPb共晶合金中的铅元素替换成其他元素。比较常见的二元无铅合金体系有锡金系、锡铋系、锡银系、锡铟系、锡锌系、锡锑系、锡铜系等体系。
由于在过去的生产过程中，使用含铅钎料有着成本低廉，润湿良好，焊点稳定性较高等特点，而且我国并未出台相关法律制止企业使用含铅钎料，传统的大型电子产品生产厂商的产品通常只是对内销售，导致了我国无铅钎料使用的需求并没有欧美日等发达国家旺盛。可是随着我国经济的发展，许多企业面临着产品由于使用了含铅钎料而无法出口的问题。近些年来，伴随世界使用无铅钎料的大环境，我国也开始加大了对无铅钎料取代含铅钎料的研究。因此，研究的无铅钎料不仅在性能上要超过传统的含铅钎料，而且在工艺成本上也必须与含铅钎料相近甚至更低，这样才能适应我国电子行业产线的分布[6]。
如果想要使得无铅钎料达到或者超过传统含铅钎料的性能，并且能够达到制造及使用上的要求，需要满足以下条件：
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