insn钎料cu基板界面显微组织分析(附件)【字数：11879】
摘 要摘 要随着人们对环保意识的增强，以Sn-Pb为首的有铅钎料逐渐被无铅钎料取代。常用的无铅钎料有Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Zn系、Sn-Bi系等。本文主要研究In-Sn钎料，因其有着一系列优点包括熔点低、润湿性好、延展性好以及更长的疲劳寿命等，这对实现低温封装等特殊封装有着重要意义。本文首先将In-Sn钎料BGA小球在Cu基板和Ni基板上润湿铺展，从而测试其润湿铺展性能；接着制备BGA小球并将其焊接至印刷电路板上，经固态时效后进行BGA焊点的剪切性能测试分析；同时将模拟Cu板利用该钎料进行对接，经液态时效后进行剪切性能测试分析；最后对52In-48Sn钎料/Cu界面显微组织进行研究。实验结果表明铺展性能与温度有关，温度越高，铺展性越好；BGA焊点的剪切力与时效时间有关；液态时效后的In-Sn钎料的剪切力随着时效时间的增大先不断增大，当达到峰值以后就开始慢慢的减小。金属间化合物层的厚度随着时效时间的增加而变厚。关键词无铅钎料；In-Sn钎料；铺展性；剪切强度；界面组织
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2无铅钎料的研究现状 2
1.3无铅钎料的性能要求及其存在的问题 6
1.3.1无铅钎料的性能要求 6
1.3.2无铅钎料存在的问题 7
1.4铟的性质、来源及其应用 7
1.4.1铟的性质 7
1.4.2铟的来源 8
1.4.3掺铟合金的应用 8
1.4.4掺铟钎料的应用 8
1.5钎料的润湿与铺展 9
1.6课题研究的内容 10
第二章 实验方法 11
2.1钎料铺展性能的测试 11
2.2 BGA焊点剪切性能测试 12
2.2.1 BGA小球的制备和焊点的制作 12
2.2.2 BGA焊点剪切方法 13
2.3焊接模拟件力学性能测试 14
2.3.1焊接模拟件剪切原理 14
2.3.2焊接模拟件剪切设备 14
2.3.3剪切实验步骤 15
2.4焊点显微组织的观察分析 15
第三章 实验结 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
果与分析 17
3.1 InSn钎料铺展结果分析 17
3.2 BGA焊点剪切实验结果分析 18
3.3焊点力学性能的实验结果分析和焊点断口形貌分析 19
3.3.1焊点力学性能的实验结果分析 19
3.3.2焊点断口形貌和断口能谱分析 20
3.4焊点显微组织的观察分析 26
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
绪 论
1.1引言
钎焊是指把母材加热到一定温度，通过毛细作用将熔化的钎料填充到母材之间的间隙的一种冶金接合方法[1]。由于历史上的原因，钎焊一直被区分为硬钎焊(brazing)和软钎焊(soldering)[2]。之所以软钎焊优于硬钎焊，是因为在钎焊过程中只需要一个较低的温度就能形成一个稳定的接头[3]。钎焊接头是一个多元系统，主要由基板、钎料和基板处的金属间化合物(IMC)层、钎料基体以及钎料内部形成的金属间化合物组成。
历史上，钎料的使用跨越了青铜时代、铁器时代，直至如今的硅电子时代，其中作为连接材料的锡铅钎料长期以来一直占据主导地位，这是由于锡铅钎料有着熔点低、储量丰富、价格低廉、润湿性好[4~7]等优点。但最近研究发现铅是重金属元素，在人体内易于积累，特别是Pb2+离子与人体内蛋白质的结合会抑制蛋白质的正常化合，此外Pb2+还易侵害神经系统，造成神经错乱，不仅如此，铅对婴儿的危害更大，会影响婴儿的智商和正常发育[8, 9]，这都是铅带来的危害。
近年来，由于电子加工业的迅速发展，人们对环境保护的意识不断增强，这就对对电子产品焊点的可靠性提出了一个新的要求，以往的有铅钎料已经无法满足产品的发展要求了，这就促使了无铅钎料[10]替代了传统的锡铅钎料，慢慢的无铅钎料开始走向市场，并逐渐替代了沿用至今的锡铅钎料[11]。鉴于生态环境的保护以及人类健康的考虑，电子元器件等相关产品逐渐走向无铅化，这已经成为电子产品发展的必然趋势[12]。这就要求我们找到一种具有无毒、低熔点等特性的无铅钎料来代替传统的锡铅钎料。国际上对无铅钎料的定义为[13]：以Sn为基体，添加Ag、Cu、Sn、Zn、Bi等元素构成的二元、三元甚至四元的共晶合金代替传统的Sn37Pb钎料，其中Pb的质量分数应小于0.1%，因而控制铅含量显得异常重要。常用来评定无铅钎料的标准有：没有毒性、来源广泛、钎焊性能好、材料制备简单、钎焊温度合适、易形成可靠地焊接接头等。目前很多科研人员及高校都在尝试往无铅钎料中加入一些贵金属元素，比如Ag、In、Bi等，从而降低钎料合金的熔点[14]，优化钎料合金的性能。之所以In和Bi等贵金属元素得不到推广，是因为它们储量有限，还未完全开发，只能用在某些特殊封装中[15, 16]。
1.2无铅钎料的研究现状
据报道，目前研究的无铅钎料合金系列中比较典型的有SnCu、SnAg、SnAgCu、SnZn、SnBi、SnIn等。下面就简单介绍一下这几种钎料的性能。
SnCu系钎料
SnCu钎料共晶中Cu所占的比例为70%，其熔点为227℃，共晶组织由初晶Sn+Cu6Sn5颗粒/Sn共晶组织组成，钎料合金相图如图11所示。
/
图11 SnCu合金相图
SnCu钎料合金的主要优点包括价格低便宜，没有毒性，综合性能好等，其缺点主要有蠕变性能差，抗拉强度较低。研究发现，在SnCu合金中添加微量的元素是一种行之有效的改善SnCu钎料合金性能的方法,常用作微量的元素有Ni，Ag，Sb，Ge，P和稀土等元素。例如，在SnCu钎料中添加微量的Ni后，SnCu合金内的Cu6Sn5金属间化合物将得到细化，从而提高了钎料的塑性，并可以缓解SnCu钎料对印制电路板上Cu的溶蚀[17]；添加微量的Ag有利于钎料在Cu基板上的的润湿，从而降低钎料合金的熔点[18]；添加微量的Sb还可以提高钎料的强度和高温耐疲劳性，并减少钎料中残渣的产生[19]；添加微量的稀土元素可以细化晶粒、抑制组织粗化和提高钎料的抗蠕变疲劳性能。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2无铅钎料的研究现状 2
1.3无铅钎料的性能要求及其存在的问题 6
1.3.1无铅钎料的性能要求 6
1.3.2无铅钎料存在的问题 7
1.4铟的性质、来源及其应用 7
1.4.1铟的性质 7
1.4.2铟的来源 8
1.4.3掺铟合金的应用 8
1.4.4掺铟钎料的应用 8
1.5钎料的润湿与铺展 9
1.6课题研究的内容 10
第二章 实验方法 11
2.1钎料铺展性能的测试 11
2.2 BGA焊点剪切性能测试 12
2.2.1 BGA小球的制备和焊点的制作 12
2.2.2 BGA焊点剪切方法 13
2.3焊接模拟件力学性能测试 14
2.3.1焊接模拟件剪切原理 14
2.3.2焊接模拟件剪切设备 14
2.3.3剪切实验步骤 15
2.4焊点显微组织的观察分析 15
第三章 实验结 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
果与分析 17
3.1 InSn钎料铺展结果分析 17
3.2 BGA焊点剪切实验结果分析 18
3.3焊点力学性能的实验结果分析和焊点断口形貌分析 19
3.3.1焊点力学性能的实验结果分析 19
3.3.2焊点断口形貌和断口能谱分析 20
3.4焊点显微组织的观察分析 26
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
绪 论
1.1引言
钎焊是指把母材加热到一定温度，通过毛细作用将熔化的钎料填充到母材之间的间隙的一种冶金接合方法[1]。由于历史上的原因，钎焊一直被区分为硬钎焊(brazing)和软钎焊(soldering)[2]。之所以软钎焊优于硬钎焊，是因为在钎焊过程中只需要一个较低的温度就能形成一个稳定的接头[3]。钎焊接头是一个多元系统，主要由基板、钎料和基板处的金属间化合物(IMC)层、钎料基体以及钎料内部形成的金属间化合物组成。
历史上，钎料的使用跨越了青铜时代、铁器时代，直至如今的硅电子时代，其中作为连接材料的锡铅钎料长期以来一直占据主导地位，这是由于锡铅钎料有着熔点低、储量丰富、价格低廉、润湿性好[4~7]等优点。但最近研究发现铅是重金属元素，在人体内易于积累，特别是Pb2+离子与人体内蛋白质的结合会抑制蛋白质的正常化合，此外Pb2+还易侵害神经系统，造成神经错乱，不仅如此，铅对婴儿的危害更大，会影响婴儿的智商和正常发育[8, 9]，这都是铅带来的危害。
近年来，由于电子加工业的迅速发展，人们对环境保护的意识不断增强，这就对对电子产品焊点的可靠性提出了一个新的要求，以往的有铅钎料已经无法满足产品的发展要求了，这就促使了无铅钎料[10]替代了传统的锡铅钎料，慢慢的无铅钎料开始走向市场，并逐渐替代了沿用至今的锡铅钎料[11]。鉴于生态环境的保护以及人类健康的考虑，电子元器件等相关产品逐渐走向无铅化，这已经成为电子产品发展的必然趋势[12]。这就要求我们找到一种具有无毒、低熔点等特性的无铅钎料来代替传统的锡铅钎料。国际上对无铅钎料的定义为[13]：以Sn为基体，添加Ag、Cu、Sn、Zn、Bi等元素构成的二元、三元甚至四元的共晶合金代替传统的Sn37Pb钎料，其中Pb的质量分数应小于0.1%，因而控制铅含量显得异常重要。常用来评定无铅钎料的标准有：没有毒性、来源广泛、钎焊性能好、材料制备简单、钎焊温度合适、易形成可靠地焊接接头等。目前很多科研人员及高校都在尝试往无铅钎料中加入一些贵金属元素，比如Ag、In、Bi等，从而降低钎料合金的熔点[14]，优化钎料合金的性能。之所以In和Bi等贵金属元素得不到推广，是因为它们储量有限，还未完全开发，只能用在某些特殊封装中[15, 16]。
1.2无铅钎料的研究现状
据报道，目前研究的无铅钎料合金系列中比较典型的有SnCu、SnAg、SnAgCu、SnZn、SnBi、SnIn等。下面就简单介绍一下这几种钎料的性能。
SnCu系钎料
SnCu钎料共晶中Cu所占的比例为70%，其熔点为227℃，共晶组织由初晶Sn+Cu6Sn5颗粒/Sn共晶组织组成，钎料合金相图如图11所示。
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图11 SnCu合金相图
SnCu钎料合金的主要优点包括价格低便宜，没有毒性，综合性能好等，其缺点主要有蠕变性能差，抗拉强度较低。研究发现，在SnCu合金中添加微量的元素是一种行之有效的改善SnCu钎料合金性能的方法,常用作微量的元素有Ni，Ag，Sb，Ge，P和稀土等元素。例如，在SnCu钎料中添加微量的Ni后，SnCu合金内的Cu6Sn5金属间化合物将得到细化，从而提高了钎料的塑性，并可以缓解SnCu钎料对印制电路板上Cu的溶蚀[17]；添加微量的Ag有利于钎料在Cu基板上的的润湿，从而降低钎料合金的熔点[18]；添加微量的Sb还可以提高钎料的强度和高温耐疲劳性，并减少钎料中残渣的产生[19]；添加微量的稀土元素可以细化晶粒、抑制组织粗化和提高钎料的抗蠕变疲劳性能。
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