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Sn-Cu亚共晶钎料用钎剂的优化及钎焊接头界面IMC的研究

作　者: 赵海建
导　师: 杜长华
学　校: 重庆理工大学
专　业: 材料学
关键词: 电子封装 Sn-Cu亚共晶钎料钎剂金属间化合物(IMC)
分类号: TG425
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在电子产品无铅封装的推广应用过程中,由于无铅钎料的熔化温度比含铅钎料高,且在熔化以后其液态钎料对母材的润湿能力低,所形成的焊点可靠性差等缺点,使得适用于含铅钎料的钎剂难以用来与无铅钎料匹配适用。另外,在电子封装微互连焊点的钎焊界面,由于无铅钎料中金属锡的含量很高,使得金属间化合物(IMC)的形成、生长和演变加快,对焊点服役的可靠性会产生非常不利的影响。同时,由于目前电子封装微互连焊点的几何尺寸越来越小,使得本征脆硬相IMC在微焊点中所占的比例越来越大,以致IMC对微焊点乃至电子产品可靠性的影响起着非常关键的作用。因此,研究一种与无铅钎料匹配使用的钎剂,并考察钎焊界面金属间化合物IMC的形成、生长和演变是一项重要的课题。我们近期研究了一种与亚共晶Sn-0.65Cu钎料匹配使用的钎剂,其助焊性能良好,但其焊后残留物较多,腐蚀性较大。为了解决这些问题,本文进行了亚共晶Sn-0.65Cu钎料用钎剂的优化研究,同时考察了钎焊时间、钎焊温度、热时效时间以及采用不同钎剂对界面IMC厚度的影响,并就相关问题进行了深入分析与探讨。本研究得到的主要结论如下:(1)为了降低焊后残留在基板上的残留物和腐蚀性,减少了钎剂中氢化松香以及活性剂的含量,并通过选取及添加适量的表面活性剂来增强润湿性能,增大水萃取液电阻率。(2)以焊后残留物、扩展率、水萃取液电阻率以及腐蚀性为指标,进行了相关实验,通过深入分析研究得到了较好的钎剂配方:氢化松香10%,戊二酸5%,月硅酸0.7%,丁二酸0.7%,壬基酚聚氧乙烯醚0.5%或二溴丁烯二醇2%,余量为异丙醇。(3)该钎剂与亚共晶Sn-0.65Cu钎料匹配使用时,钎焊温度、钎焊时间和热时效时间以及钎剂的活性对界面IMC的生长均有重要影响,其影响规律如下:提高钎焊温度会加速IMC的生长,使得界面IMC长大变厚;随钎焊时间的延长,界面IMC的厚度增加,其IMC的厚度与钎焊时间的0.4次幂成正比关系;界面IMC的厚度随着热时效时间的延长而增大,并且界面IMC的厚度与时效时间的平方根成正比关系,表明其IMC的生长受扩散机制控制。在一定条件下,钎剂的活性越高,其助焊能力越好,钎料与母材之间的相反应则越剧烈,界面IMC的厚度则会越大。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-20
  1.1 电子封装用钎料与钎剂  10-15
    1.1.1 电子封装用钎料  10-11
      1.1.1.1 无铅化电子封装的背景  10
      1.1.1.2 钎料无铅化的要求  10-11
    1.1.2 电子封装用钎剂  11-15
      1.1.2.1 钎剂发展概况  11-12
      1.1.2.2 钎剂的作用机理  12-13
      1.1.2.3 钎剂的分类  13-15
  1.2 电子封装互连焊点中界面IMC 的形成与演化  15-19
    1.2.1 钎焊过程中界面IMC 的形成与生长行为  15-16
    1.2.2 热时效过程中界面IMC 的生长与演化  16-18
      1.2.2.1 等温热时效条件下界面IMC 的生长  16-17
      1.2.2.2 热-剪切循环条件下界面IMC 的演化  17
      1.2.2.3 Kirkendall 空洞的形成与长大  17-18
      1.2.2.4 电迁移对界面IMC 的影响  18
    1.2.3 界面IMC 对焊点可靠性的影响  18-19
  1.3 课题的研究内容和意义  19-20
    1.3.1 本课题的研究意义  19
    1.3.2 本课题的主要研究内容  19-20
2 实验部分  20-26
  2.1 钎料的制备  20
  2.2 钎剂的制备  20
  2.3 漫流性实验  20-22
    2.3.1 Cu 基板的准备  20-21
    2.3.2 钎料的准备  21
    2.3.3 实验方法  21
    2.3.4 扩展率的计算  21-22
  2.4 水萃取液电阻率测试  22-23
    2.4.1 实验设备  22
    2.4.2 实验步骤  22-23
    2.4.3 结果计算  23
  2.5 盐雾腐蚀实验  23-24
    2.5.1 实验条件  23
    2.5.2 实验设备  23
    2.5.3 实验步骤  23-24
  2.6 界面组织形貌观察  24-25
    2.6.1 实验设备  24
    2.6.2 实验步骤  24-25
  2.7 IMC 厚度的测定  25-26
3 亚共晶 Sn-0.65Cu 钎料用钎剂的优化  26-48
  3.1 氢化松香含量对钎剂的影响  26-31
    3.1.1 钎剂成分设计及制备  26-27
    3.1.2 焊点宏观形貌的观察  27-28
    3.1.3 扩展率实验结果  28
    3.1.4 润湿角的测算  28-31
    3.1.5 氢化松香含量对水萃取液电阻率的影响  31
  3.2 活性剂含量对钎剂的影响  31-35
    3.2.1 钎剂成分的设计及制备  32
    3.2.2 焊点宏观形貌的观察  32-33
    3.2.3 扩展率实验结果  33-34
    3.2.4 润湿角的测算  34
    3.2.5 活性剂含量对水萃取液电阻率的影响  34-35
  3.3 表面活性剂的选取  35-36
  3.4 壬基酚聚氧乙烯醚对钎剂的影响  36-40
    3.4.1 钎剂成分设计  36
    3.4.2 焊点宏观形貌的观察  36-37
    3.4.3 扩展率实验结果  37-38
    3.4.4 润湿角的测算  38
    3.4.5 壬基酚聚氧乙烯醚含量对水萃取液电阻率的影响  38-39
    3.4.6 壬基酚聚氧乙烯醚含量对腐蚀性能的影响  39-40
  3.5 二溴丁烯二醇对钎剂的影响  40-45
    3.5.1 钎剂成分的设计  40-41
    3.5.2 焊点宏观形貌的观察  41-42
    3.5.3 扩展率实验结果  42-43
    3.5.4 润湿角的测算  43-44
    3.5.5 二溴丁烯二醇含量对水萃取液电阻率的影响  44-45
    3.5.6 二溴丁烯二醇含量对铜板腐蚀的影响  45
  3.6 表面活性剂FC4430 对钎剂的影响  45-47
    3.6.1 钎剂成分的设计  45-46
    3.6.2 焊点宏观形貌的观察  46
    3.6.3 扩展率实验结果  46-47
  3.7 本章小结  47-48
4 钎焊接头界面 IMC 的研究  48-60
  4.1 钎焊温度对界面IMC 的影响  48-51
    4.1.1 界面IMC 组织形貌的观察  48-49
    4.1.2 钎焊温度对界面IMC 厚度的影响  49-51
  4.2 钎焊时间对界面IMC 的影响  51-55
    4.2.1 界面IMC 组织形貌的观察  51-52
    4.2.2 钎焊时间对界面IMC 厚度的影响  52-54
    4.2.3 不同钎焊条件下IMC 生长动力学分析  54-55
  4.3 热时效时间对界面IMC 的影响  55-59
    4.3.1 界面IMC 组织形貌的观察  55-57
    4.3.2 热时效时间对界面IMC 厚度的影响  57-58
    4.3.3 热时效过程中界面IMC 的生长模型  58-59
  4.4 本章小结  59-60
5 不同活性钎剂对界面 IMC 厚度的影响  60-66
  5.1 钎剂成分设计及制备  60
  5.2 扩展率实验结果  60-61
  5.3 界面IMC 组织形貌的观察  61-63
  5.4 界面IMC 的厚度的变化  63-64
  5.5 结果与讨论  64-65
  5.6 展望  65-66
6 结论  66-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果  72-73

Sn-Cu亚共晶钎料用钎剂的优化及钎焊接头界面IMC的研究

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