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1、本科毕业设计（论文） Sn-Sb-In无铅焊料的制备与性能检测学 院 材料与能源学院 专 业 金属材料工程 年级班别 2007级（1）班 学 号 学生姓名 指导教师 2011 年 6月 Sn丨Sb丨In无铅焊料的制备与性能检测何喜材料与能源学院摘 要 环保和电子器件高度集成化的发展驱动了高性能无铅焊料的研究和发展。因此，对无铅焊料的配方、制备、检测手段等提出了更高的要求。本文从SnSbIn系列合金焊料的生产工艺控制出发，在真空炉中利用高温快速溶化，搅拌和保温等手段，减少氧化烧损，并提高成分均匀性，从而制备出12种不同铟、锑配比的合金。然后，通过试验方法研究了不同配比的SnSbIn焊料样品中不同
2、铟、锑含量对合金性能（包括熔点、力学性能和铺展性等），并测试了该焊料钎焊接头的剪切和拉伸强度。在50K时通过实验测定SnSbIn系列合金在铜板上的铺展面积，进行了润湿性研究，发现该合金的润湿性较差，通过添加地表面张力的金属或稀土元素可在一定程度上提高润湿性。另外，通过金相组织分析（XRD图谱，能谱等）、熔点DSC差热分析、等在不同的方面测试不同配比合金的性能，进而为改进生产工艺提供依据，并从中得出最佳成分配比。结果表明，随着Sb含量的增加，熔点逐渐升高。随着铟的加入，可有效降低熔点，为确定综合性能最佳的该系焊料提供了依据。关键词:无铅焊料，SnSbIn合金，性能研究Abstract The R
3、&D of the Lead-free solder of high performance has been pushed forward by the highly developed environment conservation and integrated micro-eletronic devices. This series alloy solder from SnSbCuNiIn production process control, and by using high-temperature rapid melting in the Vacuun Furnace, mixi
4、ng and heat, and other means to reduce oxidation loss, and improve uniformity of composition, which prepared the 12 kinds different Sb and In ratios of alloys(include melting point, mechanical properties, wetting ability ). Then studies the influence of the content of Sb and In to function of the so
5、lders through experiment, and study on share property and tensile strength of Brazed joint of the specimens. In 50K, this experiment measure the spreading areas of SnSbCuNiIn Lead-free solders on the copper plates. The result indicate that wetting ability of these specimens are not very good. But th
6、e wetting ability was reduced by adding some low surface tension metals or thulium and this can improve the wetting ability of SnSbCuNiIn Lead-free based solders. In addition, by microstructure analysis (XRD patterns and EDS), differential thermal analysis of DSC melting point and other methods, in
7、different proportions in different aspects of test performance of the alloy, and then provide the basis for improving the production process, and from too the optimum composition. The results showed that with the increase of Sb content, the melting point increased gradually, with the increase of In
8、content, the melting point decreased gradually. It provides basis for the best performance of SnSbCuNiIn Lead-free based solders.Key words: Lead-free solder, SnSbCuNiIn alloy, Research Performance目 录1 绪 论11.1 电子器件微型化迫切要求发展无铅焊料11.1.1 焊料合金在微电子封装及组装互联接技术中的使用11.1.2 电子器件微型化的趋势需要发展无铅焊21.2 环境立法禁止含铅焊料的使用31.
9、3 无铅焊料的发展进程31.3.1无铅焊料的性能要求41.3.2 主要无铅焊料体系41.4 无铅焊料的发展现状、难题及趋势41.4.1 无铅焊料的发展现状41.4.2 无铅焊料发展面临的技术难题51.4.3 无铅焊料的发展趋势51.5 论文研究的目的62 焊料的制备72.1基本内容72.2. 可行性分析72.3 配料和熔炼工序82.3.1 合金的配料计算82.3.2 合金的熔炼过程92.4制备结果103 焊料的金相分析113.1金相样品的制备113.2金相合金相图分析113.3金相XRD分析123.4金相能谱分析123.4.1 SnSb3.0CuNi的能谱分析123.4.2 SnSb4.1Cu
10、Ni的能谱分析133.4.3 SnSb4.5CuNi的能谱分析143.4.4 SnSb5.0CuNi的能谱分析143.4.5 SnSb5.5CuNi的能谱分析153.4.6 SnSb6.0CuNi的能谱分析153.5金相光学显微镜分析164 焊料的熔点分析184.1熔化温度范围的测定方法184.2焊料熔点测试结果分析195 焊料的铺展性能测试225.1铺展率实验意义225.2实验方法步骤225.3实验结果分析23总 结26参 考 文 献27致 谢29l 1 绪 论焊接是指加热焊料合金使其熔化，而母材不熔化，通过母材与焊料合金之间的溶解、扩散、凝固和反应过程来实现冶金学连接的一种技术，其成功使用
11、已有两千多年历史了。在现代电子连接与装配工业中，利用熔点低于698K的填充金属-焊料合金来进行低温焊接已经成为微电子器件封装和组装互联技术中的关键技术之一。在这项技术中，作为连接材料，焊料合金通过与电子元器件的引脚及电路导线界面形成的金属键结合提供了电子器件之间必不可少的导电、导热和机械连接，因此焊料合金的性能直接影响着焊接的可靠性，进而决定着整个电子设备的使用寿命。在传统封装工艺中，Sb-Pb系焊料（共晶温度为456K）以其优良的综合性能和低廉的成本，得到了广泛的应用。然而，随着环保意识的提高和微电子技术的迅猛发展，无铅焊料的研究与应用已成为全球热点。对于作为电子制造大国的中国来说，发展具有
12、自主知识产权的新型无铅焊料具有非常重要的意义。1.1 电子器件微型化迫切要求发展无铅焊料1.1.1 焊料合金在微电子封装及组装互联接技术中的使用 随着全球电子技术的飞速发展，微电子工业已经发展成相互独立的三大产业，即微电子封装、集成电路设计和圆晶生产，其中微电子封装及组装互联技术（简称微电子封装技术）是指从封装芯片开始到最后插装电路板的三级封装过程。将芯片封装成单芯片组（single chip module）和多芯片组件（multilayer chip module）为一级封装；将一级封装和其他组件一起组装到单层或多层印刷电路板（printed circuit board，PCB）为二级封装；
13、再将二级封装插装到电路板上组成三级封装。 在这三级封装工艺中，焊料合金在一级封装和二级封装过程中发挥着非常关键的作用。在一级封装工艺中，焊料合金作为搭接材料，将芯片和基板连在一起，起到机械和电气连接的作用，同时也是半导体器件散热的途径。在该工艺中，由于其大量节点的直接连接，接点密度得到提高，降低了连接后芯片在系统中所占体积，因此有取代传统导线连接的趋势。 在二级封装工艺中，焊料合金是主要的连接介质，它是通过导线连接的方式将芯片组件接在印刷电路板上。其连接方法分为两种工艺，分别为穿孔连接（pinthrough hole）和表面封装（surface mounting technology），其对应
14、的焊接方法则分别为波峰焊（wave soldering）和回流焊（reflow soldering）。 在微电子器件向大规模集成化的发展趋势下，为了适应表面封装技术的需求和提供更多的引出端数，近年来，焊球阵列封装（ball grid array，BGA）得到了广泛的应用。该工艺以球形焊点代替插针，这样可以在同样封装面积下容纳更多的引脚数，使接点密度高、导电性能好；它不需要插座，可直接焊在PCB板上，使其安装高度低、散热性能好；同时，由于其引线是焊球，在受到碰撞冲击时不容易引起排列点阵受到破坏，因而安装成品率高。由于具有良好的焊接性能，BGA已经成为现代集成电路封装中最热门的、也是发展最快的一种技术。在这种技术中，焊料合金完全取代了导线，在确保焊点连接的可靠性上起到了决定性的作用。综上所述，微电子封装及组装互联技术，就是通过热压焊、超声焊和软钎焊等方法将芯片连接在芯片载体或引线框架上或将电子元件连接在PCB板（或其他基板）上的技术。其中，焊料合金作为主要的或全部的连接
