颗粒增强Sn3.8Ag0.7Cu复合无铅焊料的研究

【摘要】： 本文选择Sn3.8Ag0.7Cu(SAC)无铅焊料,首先研究了在Cu和Ni上经过多次焊接(1-10次)和150oC时效(50-1000小时)后的界面反应和剪切强度,并与Sn37Pb(SP)进行了对比;然后通过机械混合方法成功制备了SiC纳米颗粒复合焊料SAC-xSiC和Ni颗粒复合焊料SAC-xNi,重点研究了SAC-xNi/Cu(Ni)焊点在焊接和时效过程中的界面反应和剪切强度。结果表明: 焊接过程中,SAC(SP)/Cu界面扇贝状的Cu6Sn5 IMC的生长受晶界扩散控制,而SAC(SP)/Ni界面层状IMC的生长受体扩散控制,Ni-Sn IMC晶粒和反应的速度都小于Cu-Sn。时效过程中,Cu和Ni上的IMC生长都由体扩散控制,时效50小时后,SAC(SP)/Cu界面IMC为双层结构(Cu_6Sn_5和Cu_3Sn);而SAC(SP)/Ni界面保持单层结构。焊接次数和时效对焊点剪切强度影响较小,富Pb相合并生长降低了SP焊点的强度,SAC的焊点强度一直高于SP。 首次选用SiC纳米颗粒与焊料成功复合,复合焊料SAC-xSiC的熔点有所下降,焊料内部IMC颗粒和β-Sn相的亚晶粒显著细化,复合焊料硬度值比SAC增加30-44%。由于表面吸附效应,SiC纳米颗粒抑制了焊料中Ag3Sn的生长,强化了合金的性能,位错绕过理论的预测值与实验测得的强化结果紊合良好。 SAC-xNi的工艺性能与SAC相当,Ni颗粒起形核剂的作用,复合焊料凝固过程中发生了非均匀形核,减小了过冷度,得到了颗粒Ni与焊料合金良好润湿性的判据。焊接过程中,SAC-xNi/Cu焊点界面(CuNi)6Sn5 IMC由疏松和致密的两层构成,与SAC相比,复合焊料SAC-xNi与Cu的反应速度大大增加,界面IMC晶粒显著细化,IMC的生长由反应扩散和体扩散双重控制,本文利用热-动力学理论讨论了颗粒Ni对反应速度和晶粒尺寸的影响。焊料中自由活动的Cu原子数量对SAC-xNi/Ni界面IMC的形貌和结构起决定性作用。由于Ni颗粒的添加,SAC-xNi/Cu(Ni)剪切强度有所增加,焊点断裂呈韧性特征。 时效50小时后,SAC-xNi/Cu焊点界面变为双层结构即(CuNi)6Sn5和Cu3Sn层,IMC的生长受体扩散控制,添加Ni颗粒抑制了Cu3Sn层的生长。时效过程中,SAC-xNi焊料中的Cu原子逐渐扩散到Ni界面,除了SAC-2Ni/Ni外,界面都形成了双层IMC结构即(CuNi)6Sn5和(NiCu)3Sn4。500小时时效后的SAC-1Ni/Cu(Ni)和SAC-2Ni/Cu(Ni)剪切焊点,断裂区域部分发生在界面。