《Bi-Ag基高温无铅钎料的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Bi-Ag基高温无铅钎料的研究（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、哈尔滨理工大学硕士学位论文Bi-Ag基高温无铅钎料的研究姓名：李正平申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：孟工戈20090301哈尔滨理丁人学T 学硕。f j 学位论文B i A g 基高温无铅钎料的研究摘要从封装温度来分类，软钎料分为低温钎料、中温钎料、高温钎料。传统的S n P b 钎料是微电子组装与封装中应用最为广泛的连接材料，但由于P b 对人类健康和环境的影响，已经实施的欧盟R o l l S 指令和我国颁布实施的电子信息产品污染控制管理办法都已经规定，禁止使用S n 一3 7 P b钎料( 熔点l8 3 ) 。工业上正在使用的中温无铅钎料，比较典型的有S n C u ( 共
2、晶成分熔点2 2 7 ) 、S n A g ( 共晶成分熔点2 2 l ) 等系列合金钎料。虽 然在R o l l S 指令中含铅的质量分数超过8 5 的高熔点S n P b 钎料( 如9 0 P b -1 0 S n 熔化温度2 6 8 3 0 1 ) 因还没有找到合适的替代材料而得到豁免，但由 于P b 的危害以及合金本身的负面影响，在电子工业中迫切需要研制新型高温无铅钎料来取代高铅钎料。B i A g 合金有较合适的共晶( B i 2 5 A g ) 温度( 2 6 2 5 ) ，且其硬度与9 5 P b 5 S n 合金接近，价格可以让人接受。本文在B i A g 合金中添加微量元素N
3、 i 、C u 、G e ，制备B i A g N i C u G e 钎料合金，研究添加不同含量的A g 对钎料合金的熔化特性、合金及钎焊接头的微观组织、剪切强度的影响。研究结果表明，B i 一2 A g 0 4 N i 0 2 C u 0 1 G e 亚共晶( 共晶成分时，会形成粗化的A 9 3 S n 在受到冷却速度影响时，缓冷易形成粗化A g a S n 初晶S n 和C u 6 S n 5 微粒S n 共晶 初晶S n 和板状( 纤维状) Z n 分散组织表1 - 2 小l _ J 甲温尢锚针料的优缺点T a b l e1 - 2T h em e r i t sa n dd e f
4、e c to fs o m em i d d l e - t e m p e r a t u r es o l d e r合金成分熔点( )主要优点主要缺点S n - 3 5 A g2 21力学I 警淼抗疲熔点高、润湿性差S n - 0 7 C u2 2 7糍謦嚣熔点高、润湿性差s n 9 Z n1 9 8胖低语誓蓑辎、易g 抗g 腐, 溅畚高铅钎料在微电子封装的高温领域中广泛应用。在欧盟发布的R o l l S 指令引导下，各国已相继立法来限制铅在微电子行业中的使用，高铅焊料却由于目前还没有合适的替代品，因而在R o l l S 指令中得到了豁免。尽管如此，高铅钎料的最终无铅化是必然趋势。所
5、以各国的学者们也一直在努力，寻找一种可以替代高铅钎料的无铅材料。目前的研究主要集中在A u 一2 0 S n 合金、B i - A g哈尔滨理丁人学工学硕L 学位论文基合金、S n S b 合金。下一节将主要介绍高温钎料的研究状况。1 3 高温钎料1 3 1P b 基钎料合金P b 的质量分数在8 5 , - 一9 5 范围内的S n P b 合金的熔点为3 0 0 左右，其最大的特点是固相线和液相线之间的温差较小，因此其凝固于熔化的温度区间较窄，从而有着良好的工艺性能。但是这种焊锡存在着P b 中的杂质U 或者T h等放射性元素放射1 射线的问题，在高可靠性连接方面有时会出现问题1 3 3
6、1 。而其他的P b 基钎料合金是A u 、A g 、S b 、S n 等金属与铅形成的共晶合 金，熔点在2 5 0 - - 一3 6 0 “ C ，P b 基钎料能生成脆性的金属间化合物，一般比较软，可吸收由于芯片与基板之间的热膨胀不匹配而引起的应变。若钎焊接头经受多次热循环，就会在钎料的晶界处发生应变积累，以致产生微裂纹而导致热 阻的增加，最终引起疲劳破坏。因此P b 基钎料不能用在连接强度要求高的地方I 邹。表1 3 列出了一些常用高P b 钎料和A u S n 合金的主要特性。表1 3 一些高温钎料的物理及力学性能T a b l e1 - 3T h ep h y s i c a la
7、n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o m eh i g h t e m p e r a t u r es o l d e r s无铅钎料替代高铅钎料必须满足以下的要求【3 4 l ：( 1 ) 固相点要高于2 6 0 “ C ( 避免钎料的二次回流) 和液相点要低于4 0 0 “ C ( 由于 聚合物基体玻璃态转变温度的限制) ，以及尽量小的熔程。对非共晶焊料而言，熔程是指焊料合金开始凝固到完全凝固所经历的温度区间。焊料的熔程扩大，则焊料凝固时所需时问延长。由于合金在液相线温度与固相线温度区间处于固相与液相共存的状态，此时的焊料中的液相
8、冷却时由于受到固相的阻碍而流动性降低，这往往促使产生内部应力甚至产生裂纹，导致焊接缺陷。哈尔滨理丁大学T 学硕十学位论文( 2 ) 较低的剪切模量，以缓和芯管与金属基体之间的热膨胀系数( C T E ) 差，这样才能在工作时尽量降低不同材料发热膨胀而产生的各种应力。( 3 ) 良好的热导率( 2 0 W m K ) 和较低的电阻系数( B i 25 A g 纯B i ，在不同温度，c u 在同一熔融钎料中溶解总量的大小关 系也有相同的趋势。这说明提高A g 含量增强了c u 晶界沟槽，提高了钎料的溶解速度，同时升高温度也提高了c u 在熔融钎料中的溶解。B i 1 l A g C u ，B i
9、 -25 A E ，C u ，P b 一5 S n C u 接头剪切强度依次减小。虽然，B i - A g C u 试样的强度比P b 一5 S n ，C u 大，但是，它们的强度数据范围分布更广，断裂几乎都发生在焊料处。房卫萍等人在B i - 2 S A g 、B i 1 0 A g 合金中加入了R e ，研究结果表明m 】：在钎料中增加A g 含量或添加微量稀士对B i - A g C u 钎焊接头的剪切强度没有明显影响都在略高于3 0 M P a 。断裂几乎都发生在界面处。卫唑B i 25 A g B i I I A g P b - S S n P b 5 S na ) B i - A
10、g 州i 钎焊接头界面b ) B i - A 州i 钎焊接头剪切强度 圈1 也B i - A 们u 钎焊接头界面及剪切强度F i gI - 2 T h e i n t e r f a c ea n ds h e a r i n gs t r e n g t ho f B i - A g C us o l d e r i n g j o i n t s2 B i - A g N i 钎焊接头界面与强度焊料在润湿被焊接的基材表面时，与基材发生反应而形成一个金属问化合物( I M C ) 层。如果焊料的润湿性足够，焊接过程即可形成可靠焊点。焊接本身在焊料内部产生残余应力，被连接的材料I M C 层以
11、及焊料的热膨胀系数有很大不同会产生失配应力，这样，焊点在使用中受到机械冲击，或长时间处于相对的高温下工作，及多次热循环等眷呵能引起焊点失教导致产品需要维修甚至报废。从焊点失效的位置来看，可能是钎料内部，可能I M C 与钎料之间，或是I M C 与基板之间，所以，焊料与被焊基材之问形成的工层的组成、结构、厚度，界面以及本身的各种力学性能都是新焊料研制不可缺少的考察内容。哈尔镔理工人学工学项土学位论文如图1 3 ，B i 25 A g N i 、B i 1 1 A g N i 钎焊接头界面处发现有灰色胞状N i B i 3 、黑色N i B i 生成，并且在胞状N i B i 3 的前方有裂纹生
12、成，与N i B i 3 生长方向相同。而钎料组织中的块状初生A g 的较小束端会嵌入到N i B i 3 层与N i B i 层之间。N i B i - A g f N i 焊点的连接强度分布变化无规律，从2 0 M P a 到超过 6 0 M P a 都有。L A L E N AJN 等人在B i 一1l A g 0 0 5 G e N i 钎焊接头界面时也同样发现有N i B i 3 、N i B i 生成。 _ 逊、B IIn - - - ：_ _ - - _ - 业a ) 8 i - A g ，N i 钎焊接头界面”B i - A e 2 N i 钎焊接头剪切强度幽1 0B i -
13、A 州i 钎焊接头界面及剪切强度F i g1 - 3T h e i n t e r f a c e a n ds h e a r i n gs t r e n g t ho f B i - A g N is o l d e r i n g j o i n t s3 B i - A g 钎料组织与强度在非平衡凝固条件下，共晶B i 25 A g 试样的组织由先共晶B i 相、极少量的初生A g 和共晶组织组成B i 2 5 A g 试样的组织由 先共晶B i 相、初生A g 和共晶组织组成。J E N N M I N GS O N G 等人通过B i A g 合金抗拉强度试验对发现即I ，B i
14、 1 l a g 试样的共晶和先共晶不能阻止裂纹生长。增加A g 含量可以有效的提高抗拉强度。4 B b A g 钎料物理性能研究B i - 1 l A g 合金电阻率8 6 5 1 h q e m ，较共晶组成焊料B i - 2 5 A g ( 1 6 6 5 1 1 f 2 c m ) 改善很多m 】。对B i A g ( R E ) 钎料的导电性测定，结果 表明f 4 ”，增加A g 含量，钎料的导电性能有所改善，但B i A g 钎料的导电性能依然较差，电导率只是P b 一5 S n 的l ，3 左右。B i A g 合会导热率为9 W m K ( P b 5 S n 为3 5 W I
15、 n K 和A u - 2 0 S n 为5 7 W m K ) 。1 4 本文研究的主要内容综上所述，环境立法及电子器件微型化的发展趋势必然会推动高温无铅钎料的研究发展。经过众多学者对8 0 A u - 2 0 S n 、B i - A g 系合金、S n S b 系合金的哈尔滨理_ T 人学丁学硕L 学位论文研发及对各项性能指标的综合评价，B i A g 合金被认为是最有可能替代传统高P b 钎料的高温无铅焊料。然而在对该合金的研究中发现：B i A g 合金在C u 基体上的润湿性差，B i A C u 钎焊接头界面结合强度较弱，且其在常温和低温下的塑性都很差。因此，寻找一些方法来改善B
16、 i A g 合金的物理性能及力学性能，对其在微电子封装工业中的使用具有重要的意义。本文在B i A g 合金中，同时加入微量元素N i 、C u 、G e ，研究A g 含量变化对合金的熔点、润湿性能、微观组织及与C u 钎焊接头的剪切强度的影响。( 1 ) 考察B i A g N i C u G e 合金的熔点采用差示扫描量热仪分别测量合金的熔点，分析元素A g 对熔点的影响。 ( 2 ) 考察钎料合金的润湿性能测量钎焊时各合金的铺展面积，考察合金的润湿性与合金成分及合金含量的关系，寻找最佳润湿效果的合金成分范围。( 3 ) 考察B i A N i C u G e 合余的微观组织及B i A N i C u G e C u 钎焊界面形貌采用扫描电镜对钎料合会的微观组织和B i A g N i C u G e C u 钎焊界面进行观察，并对显微组织及界面进行能谱分
