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Sn-Bi-Zn-Ag系无铅焊料及其连接界面组织分析

作　者: 王珣
导　师: 刘永长
学　校: 天津大学
专　业: 材料学
关键词: 无铅焊料组织性能界面时效
分类号: TG42
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,产业化所应用的Sn-Ag系无铅焊料具有较高的Ag含量,成本较高,不利于生产。为了降低焊料的成本,本文以性能优越的Sn-3.7Ag-0.9Zn(重量百分比,后同)共晶合金为基础,降低Ag的含量至0.3%,并加入Bi为第四组元,形成了Sn-Bi-Zn-Ag无铅焊料体系。首先,通过对Bi含量的调整及冷却速率的改变,系统研究了以上因素对Sn-Bi-Zn-Ag焊料合金组织形成过程的影响;其次,分析以上各个因素对Sn-Bi-Zn-Ag焊料合金性能的影响,并阐述了强化机理和断裂机制;然后,结合焊接温度和焊接时间的改变,对Sn-Bi-Zn-Ag/Cu连接界面的金属间化合物层的生长与形成过程进行了系统研究;最后,探讨了镀Ni层对界面金属间化合物层形成的影响,以及高温时效后,界面金属间化合物层的演变规律。研究所得结果如下:在缓慢冷却条件下,Sn-xBi-0.9Zn-0.3Ag(x=1、2、3和4)焊料合金的组织由β-Sn相,AgZn3相、富Zn相和Bi的富集区(当Bi的含量达到2%时)组成。其中,富Zn相和Bi富集区的共同存在导致了合金低温局部熔化现象。冷却速度的提高能有效抑制富Zn相和Bi富集区的形成,从而抑制了局部熔化现象。经过150℃高温时效,Bi富集区将变得稀疏,Bi颗粒将在降低系统自由能的驱动下,分布于晶界处。随着Bi含量的升高和冷却速度的增大,Sn-Bi-Zn-Ag焊料合金的显微硬度提高,原因是Bi起到了固溶强化和沉淀强化的作用,而快速凝固细化了晶粒,起到细晶强化的作用。不过,Bi的固溶和组织的细化会使电子散射几率增大,导致焊料合金的电导率下降。Bi能提高焊料合金的拉伸强度,但同时也增大了合金的脆性,使合金由韧性断裂向脆性断裂转变。Sn-Bi-Zn-Ag/Cu界面出现了金属间化合物分层和脱离的现象,靠近焊料的一层为CuZn相,与Cu基板相连的为Cu6Sn5相,Bi含量的提高能抑制此现象的发生。同时,镀Ni层也对分层现象起到了抑制作用,连接界面只生成了一层复杂的Sn-Ni-Zn-Cu相。经过150℃高温时效,所有的界面金属间化合物层都经历了先长大后分解的过程,这与金属间化合物层内部存在的应力有关。一般来说,Bi和镀Ni层能降低扩散系数,阻止界面层的长大。但当Bi的含量较高时,由于存在局部溶化现象,焊料合金与Ni/Cu基板的扩散系数反而增大。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-33
  1.1 前言  9-10
  1.2 传统Sn-Pb 焊料  10
  1.3 无铅焊料的发展  10-20
    1.3.1 无铅焊料的提出  10-12
    1.3.2 无铅焊料的要求  12
    1.3.3 主要无铅焊料体系  12-16
    1.3.4 无铅焊料的微合金化  16-19
    1.3.5 无铅复合焊料  19-20
  1.4 无铅焊料的研究热点  20-31
    1.4.1 无铅焊料的熔点  20
    1.4.2 锡瘟  20-22
    1.4.3 锡晶须  22-24
    1.4.4 电子迁移  24-25
    1.4.5 机械可靠性  25-27
    1.4.6 无铅焊料/基板连接界面  27-31
  1.5 Sn-Ag-Zn 系无铅焊料的提出与研究现状  31-32
    1.5.1 Sn-Ag-Zn 系无铅焊料的提出  31-32
    1.5.2 Sn-Ag-Zn 系合金研究现状  32
  1.6 本文研究内容  32-33
第二章实验研究方法  33-42
  2.1 实验样品制备  33-37
    2.1.1 合金熔配  33-34
    2.1.2 缓慢冷却焊料合金的制备  34-35
    2.1.3 连接焊点的制备  35-36
    2.1.4 高温时效处理  36
    2.1.5 封样及抛光  36-37
  2.2 分析测试方法  37-41
    2.2.1 微观组织形貌观察  37-38
    2.2.2 X-射线衍射分析  38-39
    2.2.3 差示扫描量热分析  39
    2.2.4 性能测试  39-41
  2.3 技术路线  41-42
第三章 Sn-Bi-Zn-Ag 焊料合金组织形貌及金属间化合物形成过程分析  42-56
  3.1 缓慢冷却焊料合金的组织形貌和相组成  42-46
  3.2 快速冷却焊料合金的组织形貌和相组成  46-48
  3.3 金属间化合物相形成过程分析  48-53
    3.3.1 凝固过程分析  48-50
    3.3.2 熔化过程分析  50-53
  3.4 焊料合金的组织稳定性  53-55
  3.5 本章小结  55-56
第四章 Sn-Bi-Zn-Ag 焊料合金的性能  56-66
  4.1 显微硬度  56-59
  4.2 电导率  59-60
  4.3 拉伸性能  60-64
  4.4 本章小结  64-66
第五章 Sn-Bi-Zn-Ag 焊料合金与Cu 基板连接界面结构分析  66-80
  5.1 不同Bi 含量对界面结构的影响  66-71
  5.2 不同焊接温度和焊接时间对界面结构的影响  71-77
    5.2.1 不同焊接温度的影响  72-73
    5.2.2 不同焊接时间的影响  73-75
    5.2.3 界面金属间化合物层生长理论  75-77
  5.3 界面金属间化合物层结构的形成机理  77-79
  5.4 本章小结  79-80
第六章 Sn-Bi-Zn-Ag 焊料合金与Ni/Cu 基板连接界面结构分析及界面时效  80-97
  6.1 镀Ni 层对连接界面结构的影响  80-84
  6.2 界面时效  84-95
    6.2.1 Cu  86-91
    6.2.2 Ni/Cu  91-95
  6.3 本章小结  95-97
第七章全文结论  97-99
参考文献  99-114
发表论文和科研情况说明  114-116
致谢  116

Sn-Bi-Zn-Ag系无铅焊料及其连接界面组织分析

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