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电子封装互连无铅钎料及其界面问题研究

于大全  
【摘要】:在公众舆论、环保意识、相关法律、市场需求等因素的推动下,电子封装 的无铅化研究成为工业界和学术界的重大科学技术前沿问题。随着电子工业的 发展和无铅钎料研究的深入,对于高性能、低成本的无铅钎料的需求愈加迫切, 而钎焊反应和焊点可靠性已成为当前研究的热点。 由于稀土元素具有独特的性质,本文研究讨论了微量稀土元素对 Sn-3. 5Ag、Sn-9Zn、Sn-3. 5Ag.0. 7Cu无铅钎料的组织、熔点、润湿性以及相关 力学性能的影响,探讨了微量稀土元素的影响机制。 为优化Sn-9Zn合金的性能,添加Cu元素研制了(Sn-9Zn)-xCu(SZ-xCu) 无铅钎料,并对钎料的组织、熔点、润湿性、以及相关力学性能进行了研究, 对与Cu基体钎焊形成的界面化合物成分、形貌进行了分析。 总结研究了几种Sn-Ag-Cu合金的性能;在此基础上,对钎焊过程中 Sn-Ag-Cu/Cu界面化合物形貌和生长行为进行了研究;总结了纳米Ag3Sn颗粒 在界面金属间化合物上的吸附现象;并对微量Au元素对Sn-3. 5Ag-0. 7Cu合金 组织和力学性能的影响进行了初步研究。 钎焊过程形成的界面金属间化合物(IMC)的生长行为是温度和时间的函 数。由于蘸入法能够精确控制钎焊的温度和时间,本文用蘸入法钎焊得到相应 钎焊接头,对时效过程中界面化合物的生长行为、接头组织演变进行了深入研 究。具体包括:Sn-Pb/Cu和Sn-Ag/Cu界面金属间化合物的生长,其焊后界面 构成为:钎料/Cu-Sn/Cu;Sn-9Zn-3Bi/Cu界面显微结构的演变,其焊后界面构 成为:钎料/Cu-Zn/Cu。 通过上述研究,得到以下主要结论: (1) 由于吸附作用,微量稀土元素能够有力地细化合金的微观组织,而且 随着第二相体积分数的增加,稀土元素的细化效果更加明显。作为表面活性物 质,微量稀土元素能够降低合金的表面张力,提高合金的润湿性。微量稀土元 素细化合金组织,使得析出强化效果增加,进而提高了合金的综合力学性能。 (2) Sn-Zn-Cu钎料由于Cu的加入减少了Zn原子在钎料表面的氧化,有效 的降低液态钎料的表面张力,使钎料与Cu之间的润湿性得到显著提高,获得 了较小的润湿角。钎料与Cu钎焊过程中,界面处化合物成分随着钎料中Cu 含量的增加由层状Cu5Zn8相向扇状Cu6Sn5相转变,同时SZ-xCu/Cu接头剪切 强度由于界面IMC的转变而提高。 (3) Sn-Ag-Cu合金的微观组织均由β-Sn,Ag3Sn,Cu6Sn5三相组成;随着 Ag和Cu含量的增加,合金组织中出现粗大的化合物相。随着Cu含量的增加, Sn-3. 5Ag/Cu,Sn-3. 5Ag-0. 7Cu/Cu,Sn-3. 5Ag-1. 7Cu/Cu焊后IMC厚度随时间增 加而变厚。Sn-0. 5Ag-4Cu钎料在短时焊接时IMC层较薄,随着焊接时间的延 长,Cu6Sn5的沉淀作用使得IMC层长大速度较快。Sn-3. 5Ag-1. 7Cu, Sn-3. 5Ag-0. 7Cu合金钎焊界面粗糙度要大于Sn-3. 5Ag和Sn-4Cu-0. 5Ag界面。 Sn-3. 5Ag合金的粗糙度较小的原因是界面化合物溶解,IMC的厚度较薄造成 的。Sn一4Cu一0.SAg/Cu界面化合物粗糙度最小,原因是由于cu含量的增加,金 属间化合物与液态钎料之间的界面能增大,使得平衡状态下相邻Cu6Sns晶粒 之间夹角变大。 (4)当Sn一3.SAg,Sn一3.SAg一0.7Cu和Cu,Ni进行钎焊反应时,在Cu一Sn、 Ni一Sn、(C uNi卜Sn化合物表面发现有纳米Ag3sn粒子的生成。分析表明这些粒 子是在焊后凝固过程中,液态合金析出的Ag3sn粒子被界面吸附而形成的。 (5)微量Au元素对合金凝固后的组织影响不大。在120℃时效后,由于 Ausn;相的析出强化,含有微量Au元素的合金抗拉强度高于Sn一Ag一Cu钎料。 在120℃,12Mpa应力下,含Au钎料蠕变速度变小,蠕变寿命变长。 (6)时效后,Sn一3.SAg/Cu和Sn一37Pb/Cu界面化合物形貌由焊后的扇形转 变为层状。sn一3.SAg/Cu整个界面IMC和Cu6sns化合物的激活能分别为 73.llkJ/mol,58.59kJ/mol。Sn一37Pb/Cu整个界面IMC和Cu6Sns化合物的激活 能分别为82.19kJ/mol,75.16kJ/mol。利用蘸入法得到的界面化合物层生长激 活能普遍要小于再流法得到的。原因是蘸入法焊后初始的界面化合物层比较 薄,使得低温时效时化合物层生长速率较快导致的。 (7)Sn一gzn一3Bi/Cu界面170℃时效100h、200h后,在Sn一gzn一3Bi/Cu钎 焊接头界面处出现单一连续的Cu5Zns化合物层;而时效500h、IOO0h后,界 面处出现了三层化合物层:从基体Cu侧起,依次为Cu6Sns化合物层,Cu5Zns 化合物层,Cu6Sns化合物层。由于界面处存在Cu,Sn和Zn元素的浓度梯度, 使得界面Cu6Sns化合物层随时效时间的增加而增厚,而中间Cu5Zns化合物层 逐渐减薄。 关键词:无铅钎料;电子封装;微观组织;熔点:润湿性:拉伸性能;钎焊; 金属间化合物;界面反应;扩散


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