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Sn基多组元高温无铅焊接材料的设计及性能研究

李元源  
【摘要】: 在半导体分段封装工艺中,目前使用的高温焊接材料是含铅的Sn-95Pb(wt.%)焊接材料和无铅的Sn-80Au(wt.%)焊接材料。但这两类焊接材料的应用因环境因素和成本问题而受到很大限制。同时,目前的研究方法多是以“炒菜式”的单纯实验尝试法来摸索最佳的合金成分,这不仅消耗了大量的人力和物力,且研发效率低,研发周期长。 本研究基于此背景,借助无铅焊接材料设计系统(ADMIS),并结合CALPHAD方法,进行了高温无铅焊接材料的设计。利用DSC实验测定及其它研究手段,针对焊接材料的熔点及相关物理化学性能进行了测试分析,研发出符合高熔点要求(300℃附近)的Sn基多组元高温无铅焊接材料Sn-Sb-Cu系列和Sn-Ag-Au系焊接材料合金,并对焊接材料与Cu基板之间的界面反应进行了讨论。其主要研究内容如下: (1)通过相图计算并结合DSC实验测定,设计得到符合高温无铅焊接材料熔点要求的Sn-Sb-Cu系列合金和Sn-Ag-Au系合金,其最佳成分配比为Sn-30Sb-13Cu-11Ag(wt.%)和Sn-10Ag-40Au(wt.%),熔化温度范围是298.7℃~321.8℃和295.8℃~324.8℃。 (2)Ag元素的加入不仅降低Sn-Sb-Cu三元系合金的固相线温度,还提高了合金的润湿性。当掺杂0.3wt.%微量稀土元素Ce后,合金的润湿性和导电性达到最佳。另外,该合金在高温下的表面抗氧化性能优异。 (3)Sn-Ag-Au系合金在有氧和无氧环境下与Cu基板之间的铺展性能优异(润湿角小于20°),在显微硬度和导电性方面与Sn-Sb-Cu-Ag系合金相当,同时,在高温下的表面抗氧化性能优异。与Sn-80Au(wt.%)合金相比,成本更低。 (4)通过剪切实验与热处理时效,研究Sn-10Ag-40Au(wt.%)合金与Cu基板之间的界面互连反应。研究表明,该焊料与Cu基板之间互连的最佳回流时间为1min,界面最先析出相为Cu_3Sn化合物相,在240℃时的界面剪切强度最大。


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