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表面氧化还原对锡铅（SnPb）钎料润湿的影响

作　者: 孙广伟
导　师: 李莉
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料学
关键词: 润湿表面氧化还原升温速率润湿温度
分类号: TG425
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

传统的焊接都是利用助焊剂去除焊料和金属基体表面氧化物来提高焊料与基体间的润湿性。焊接后，大部分焊剂被蒸发成气相，但有少量焊剂会残留在电路板上，从而腐蚀电路板，大大降低封装的可靠性。人们正在积极开发在保护性气氛或高真空条件下的无焊剂焊接工艺，而且几乎所有的润湿实验也都是在上述工艺下进行的，这就避免了使用焊剂带来的一系列不利因素。本文采用无焊剂连接技术研究了Sn63Pb37焊料在Cu上的润湿性。实验利用5％H₂和95％Ar₂的混合气体在无焊剂条件下还原金属氧化物的方法研究了Sn63Pb37焊料在块体Cu上的润湿性。对焊料表面和不同氧化时间Cu表面进行了XPS分析。研究了Cu表面氧化物厚度和升温速率对润湿温度的影响。结果表明：1、焊料表面主要生成的是锡的氧化物，含有铅的氧化物；2、常温下，磨抛后的Cu基体在空气中放置5min到5h不等时间，表面生成2.0到4.2nm厚的氧化物，该氧化物主要是Cu₂O；3、润湿温度随着Cu表面氧化时间（氧化物厚度）的增加而增大，Cu表面氧的含量对润湿行为有重要影响；4、润湿温度随着升温速率的增加而增大。计算出激活能Ea为96.4±9kJ/mol，接近Cu₂O的还原激活能（≈115.08kJ/mol）。为分析润湿机理，本文研究了Sn63Pb37焊料在Au上的润湿性。实验结果表明：在加热过程中，H₂能够有效地与Cu₂O发生还原反应生成单质Cu和水蒸气，但不能有效还原焊料表面氧化物。Cu或Au能够快速扩散进入焊料内部，从而会引起氧化膜破裂，使熔融焊料突破氧化层从缝隙流出，同时焊料表面氧化物也可能溶进焊料内部。通过对焊料在Cu上快速铺展、缓慢铺展、未发生铺展和焊料在Au上铺展的界面及焊料内部的组织形貌进行分析，得出当熔融焊料与单质Cu或Au直接接触时会发生反应，分别生成Cu-Sn金属间化合物和Au-Sn金属间化合物，表现出良好的润湿性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-33
  1.1 微电子封装的定义及功能  10-12
  1.2 微互连技术  12-13
  1.3 微互连技术中润湿行为  13-14
  1.4 润湿的研究现状  14-31
    1.4.1 润湿的基本概念  14-22
    1.4.2 润湿的影响因素  22-27
    1.4.3 润湿性的测量方法  27-31
  1.5 本文的研究内容  31-33
第2章样品制备与实验方法  33-42
  2.1 引言  33
  2.2 实验材料  33
  2.3 实验设备  33-39
    2.3.1 自制的可控气氛回流装置  34
    2.3.2 X射线光电子能谱分析仪  34-39
  2.4 实验步骤  39-40
    2.4.1 焊料球的准备  39
    2.4.2 基体的准备  39
    2.4.3 实验过程  39-40
  2.5 表面状态与组织结构的观察及分析  40-42
    2.5.1 表面化学状态XPS分析  40-41
    2.5.2 光学显微镜截面观察  41
    2.5.3 扫描电镜形貌观察及成分分析  41-42
第3章 Sn63Pb37焊料的性质及表面氧化状态  42-49
  3.1 引言  42
  3.2 Pb在焊料中的作用  42-43
  3.3 Sn-Pb系焊料特性  43-45
  3.4 Sn-Pb焊料的物理与机械性能  45-46
    3.4.1 黏度和表面张力  45
    3.4.2 电导率  45
    3.4.3 热膨胀系数  45
    3.4.4 机械性能  45-46
  3.5 Sn-Pb焊料表面氧化形式  46
  3.6 Sn63Pb37焊料表面的XPS分析  46-48
  3.7 本章小结  48-49
第4章表面氧化状态及升温速率对Sn63Pb37焊料在Cu上润湿的影响  49-61
  4.1 引言  49
  4.2 Cu表面XPS分析  49-54
  4.3 Cu表面的氧化对润湿温度的影响  54-56
  4.4 升温速率对润湿温度的影响  56-59
    4.4.1 不同升温速率下的润湿温度  57-58
    4.4.2 激活能Ea的计算  58-59
  4.5 本章小结  59-61
第5章控制气氛及升温速率对Sn63Pb37焊料在Au上润湿的影响  61-66
  5.1 引言  61
  5.2 控制气氛及升温速率对润湿温度的影响  61-65
  5.3 本章小结  65-66
第6章润湿机理分析  66-78
  6.1 引言  66
  6.2 界面及内部形貌观察  66-73
  6.3 氧化物的去除  73-77
    6.3.1 焊料球表面氧化层的去除  73-75
    6.3.2 Cu_2O的去除  75-77
  6.4 本章小结  77-78
结论  78-80
参考文献  80-88
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研研成果  88-89
致谢  89

表面氧化还原对锡铅（SnPb）钎料润湿的影响

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