【正文】 時效過程中 Cu6Sn5 化合物顆粒的生長 Cu6Sn5化合物顆粒在時效過程中是聚集長大，融合成更大的塊狀整體。而如圖 ，時效過程中，稀土元素 Pr、 Nd也消除了界面處析出的板條狀銀錫化合物。大部分 Ag3Sn相， 以點狀形式 存在于黑色共晶組織中 。由于 SnNd化合物的形成在 Cu6Sn5/焊料界面間的 Sn活性降低，隨后減小了在焊接過程中 Cu6Sn5的增長。因此稀土 Pr添加量為 %的釬料焊點力學性能相比普通SnAgCu釬料略差?；亓骱螅涍^不同時效時間后(此處只選取 0、 2 480小時時效，此時組織結構變化較為明顯，其他兩組分別介于臨近兩組之間，組織 是過渡階段 )， 3號試樣的界面組織如圖 。適當?shù)慕缑?IMC可實現(xiàn)釬料和基板之間良好的冶金結合，同時獲得性能良好的焊點。此時的界面反應速率不高，但考慮到電子產品的設計壽命通常都在幾年甚至十幾年，其間伴有高達數(shù)十上百度的溫度循環(huán)，因此，發(fā)生在服役期間的界面反應對焊點可靠性的影響仍然不容忽視。如果加入稀土元 素 Nd，同樣可以提高焊點的剪切力 ，效果與稀土元素 Pr相似，但 Nd的含量增加后，焊點的剪切力下降低于普通 SnAgCu釬料，并低于相同含量Pr的 SnAgCu釬料的焊點剪切力。在高溫存儲過程中， SnAgCu焊點的顯微結構會發(fā)生變化，主要包括界面處金屬間化合物 Cu6Sn5的不斷生長。 金相試樣的制備及微觀組織形貌觀察 眾所周知，材料的各項性能不僅取決于材料的化學成分，還取決于其顯微組織，材料的成分、組織、性能三者是緊密聯(lián)系的，分析材料的顯微組織有助于更深入地揭示材料性能所發(fā)生的變化。但是剪切夾具與基板不能接觸。STR1000測試儀的正常工作條件為：工作電壓為 100V（ 50/60Hz）、溫度為 15℃ ~30℃ ，相對濕度為 40%~80%。首先按所需 比例制備 SnAgCu熔融釬料，加熱至 900℃ 并通入氮氣保護，然后將稀土 Pr、 Nd分別壓入到熔融釬料中保溫 4小時并每隔 一小時 攪拌一次以保證釬料成分的均勻性，得到試驗所需的 釬料合金，具體合金成分見表 。 混合稀土的加入也有類似的作用效果，文獻 [54]研究了加入混合稀土的 ，發(fā)現(xiàn)稀土有助于降低界面能，易于在晶界聚集，形成一網狀結構，不僅可以阻礙晶界滑移還可以阻礙內部原子的擴散，增加了焊點蠕變變形的抗力，室溫下可以提高焊點的蠕變斷裂壽命 7倍以上。 Wang[51]等人研究發(fā)現(xiàn)微量 Zn對焊點界面的影響，發(fā)現(xiàn) Zn的加 入阻礙了，時效過程中， Zn的加入明顯增加了界面化合物生長激活能， 小于未加 Zn的焊點， 175℃ 時效 480h焊點界面化合物形貌見圖 。 (d) 。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 8 (a) Ag3Sn 相 (b) Cu6Sn5 相 圖 釬料顯微組織 粗大的金屬間化合物不僅使釬料的強度降低同時對疲勞和沖擊性能也有一定的不良影響，因此，如何得到晶粒細小、成分均勻的釬料組織至關重要，目前研究多依靠加入微量元素合金化來實現(xiàn)組織的細化。單一稀土的研究主要集中在 Ce、 Er、 Y、 La等，文獻 [27, 28]研究表明微量輕稀土 Ce由于其表面活化作用，降低了液態(tài)釬料的表面張力，能夠顯著改善 ，當加入量為 0. 03%，釬料的各方面綜合性能最優(yōu)。 2 液相線 固相線 糊狀區(qū)間溫度SAC305CeSAC305PSAC305NiSAC305 圖 SAC305 系合金的 DSC 曲線 這完全能夠滿足目前無鉛再流焊機和無鉛波峰焊機的施焊要求，在峰值溫度低于250℃ 情況下對較高溫度的無鉛釬料進行施焊。 微量元素 x對 SnAgCu釬料熔化特性的影響 熔化溫度是釬料合金最基本的性質，是決定實際釬焊溫度的基本參數(shù)，同時也可通過它判斷釬料的流動性和結晶溫度等。當 Cu含量達到 %時，熔點降為 217℃ ，此時熔點 畢業(yè)設計（論文）報告紙 4 最低。 (5)SnAg 系 其共晶成分為 ， 共晶溫度為 221℃ 。 (2)SnBi 系 該系共晶成分為 Sn57Bi， 共晶溫度為 139℃ ，能夠在 170～ 180℃ 焊接，對元器件適應性強，而且其界面處耐疲勞性、高溫抗蠕變性、結合強度較好。 從進展情況看，有的無鉛釬料可以直接采用，或對現(xiàn)行工藝不做大的改變就可能實現(xiàn)替代。目前各國已經展開積極行動，減少鉛對環(huán)境和人體的傷害。而信息技術又以微電子技術為基礎，推動國民經濟的迅猛發(fā)展。 發(fā)現(xiàn) Pr或 Nd含量為 %時，微焊點拉切力均達到最大值。 作者簽名： 年 月 日 （學號）： 畢業(yè)設計（論文）報告紙 i SnAgCux（ x=Pr、 Nd） /Cu 焊點內部化合物生長行為研究 摘 要 SnAgCu無鉛釬料由于其較優(yōu)的綜合性能，已被廣泛應用于電子行業(yè)中，但其焊點在服役過程中組織熱穩(wěn)定性較差，稀土元素的加入可以改善上述缺點 。 對 SnAgCu與 SnAgCux(Pr、 Nd）釬料基體中的 Cu6Sn5相和 Ag3Sn相進行了研究，發(fā)現(xiàn) 在時效過程中，顆粒狀 Cu6Sn5相呈現(xiàn)聚集 長大 的現(xiàn)象，逐漸變成塊狀化合物；而點狀 Ag3Sn相幾乎不生長，只是在 SnAgCu界面處異常析出較大板條體，并隨著時 效的進行，逐漸脫離界面 。它們可以從空氣、水、食物等途徑進入人體，并在人體中積累， 難以排出體外。而由于中國起步較晚，對含鉛釬料只是限制使用量，并無禁止，導致發(fā)生多起因玩具中含鉛超標致國外兒童中毒事件 [5]。 SnZn系（共晶成分為 ，熔點為 198℃ ）是最靠近 SnPb共晶釬料性質的釬料體系 ，加入 Bi、 In等元素后熔點可以進一步降低；但其潤濕性極差，釬焊時 一般 要蠶蛹助焊劑，或者在惰性氣體保護，以減少表面張力。但它也有一系列問題，釬料流動性不夠，不能充分流出焊點間隙從而產生焊點橋接，導致短路。 (2)SnAgBi 系 加入 Bi后可降低釬料的熔點，如 ，其熔點為 212℃ ； SnAgBi系比SnPb合金具有更高的接頭強度；潤濕性比 SnAg高，焊點表明十分光潔；但 Bi的加入會增加釬料的脆性，易產生焊點剝離的現(xiàn)象；同時由于 Bi會使合金對 Pb十分敏感，極少的Pb也會使其熔點降至 96℃ ，當線路板暴露在 100℃ 以上的溫度時，焊點就會脫落 [14. 15]。 SnAgCux 釬料研究現(xiàn)狀 為改善 SnAgCu系釬料的性能，目前研究采用的方法主要是通過引入第四組元，即加入微量元素。固相線溫度區(qū)間（糊狀區(qū)間）也有輕微的增加，從原來的 2℃ 增加到 ℃ 。也有元素雖然可以有效降低釬料的熔點，但不利于釬料的潤濕性能，文獻 [25] 發(fā)現(xiàn)微量 Mg的加入雖然降低了釬料的熔點但由于 Mg元素的氧化阻礙了其在基板上的潤濕、鋪展，使其在相同條件下潤濕面積與未加 Mg的 SnAgCu 釬料相比下降約34%50%，惡化了釬料的潤濕性能。由于 SnAgCu系合金的非平衡凝固過 程，形成的典型微觀組織主要由 βSn相、 Cu6Sn5 和 Ag3Sn三相成，雖然已有研究表明增加 Ag的含量能夠提高釬料的力學性能，但如果銀含量過高，冷卻過程中容易生成粗大初晶 Ag3Sn相，成為拉伸時的裂紋源，降低釬料的性能，同時離共晶成分越遠越容易產生凝固缺陷，必須綜合考慮。 。 Anderson[46]等研究了微量 Mn, Ni, Ge, Ti, Si, Cr和 Zn 對焊點的影響，研究發(fā)現(xiàn)除了 Ge以外，微量 Mn, Ni, Ti, Si, Cr和 Zn的加入阻礙了Sn、 Cu的擴散從而抑制界面化合物 Cu3Sn的生長，其中 Mn、 Ni和 Co抑制 Cu3Sn生長的作用最為顯著，以上微量元素的加入還能后有效減少 Cu3Sn/Cu界面空洞的形成、聚集，對防止 SnAgCu/Cu界面弱化有一定的促進作用，有利于焊點高溫時效過程中的強度的保持。 除了加入輕稀土以外，還有研究人員研究了重稀土對 SnAgCu焊點性能的影響 ,主要的有稀土 Er以及稀土 Pr。 研究添加不同含量、不同稀土元素、不同時效時間后對界面組織形態(tài)的影響。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 15 圖 STR1000 微焊點強度測試儀 STR1000是一臺專門針對表面組裝器件（ SMD）的微焊點（或引腳）強度試驗、印制電路板耐久彎曲試驗以及其它多種力學性能測試的試驗儀器，通過變換試驗平臺，可以測試拉力、推力、剝離、剪切等多種強度，配合數(shù)據軟件具有自動計算、保存、分析的功能。 (b) 剪切夾具與基板平行且與元器件垂直并對準元器件中央位置。因此，焊點的可靠性已成為電子封裝與組裝中的關鍵問題之一，有必要對其進行深入系統(tǒng)的研究。因此，焊點的力學性能也是釬料的重要考核內容之一。 表 。 稀土元素 Nd在含量為 %時，對釬料時效中剪切力下降，稍微有點促進，基本對普通 SnAgCu釬料無影響，但隨著含量增加，稀土元素 Nd也可以 有效 減緩釬料時效過程中剪切力的下降， 但最終剪切力卻低于普通 SnAgCu釬料。 釬料和基板之間釬焊時形成的界面金屬間化合物 (IMC)是其機械連接和散熱的基礎。由圖可見，界面 IMC總厚度隨著時效時間的增加而生長，而且形貌由扇形逐漸變?yōu)檩^平的層狀。 同時， 分別縱向比較 3號試樣隨著時效時間的變化 ， IMC均不斷生長，但厚度明顯少于相同時效時間的 1號試樣的 IMC層厚度。 從圖 (c)可以看出，界面附近具有明顯的塊狀富稀土相，成分分析如圖 。 從圖 ，在基體中析出的 Cu6Sn5相成塊狀，分布在 βSn枝晶上，邊緣位置較多，而且 Cu6Sn5相對時效的進行，呈現(xiàn)一種聚集長大的趨勢。同時， 共晶 組織的形態(tài)隨著 Pr、 Nd含量的不同發(fā)生了顯著的變化， 含量為 %時 以球狀共晶為主 ， 大于 %時 為比例相當?shù)膶訝罟簿Ш颓驙罟簿?，同時層狀共晶的片層間距也發(fā)生了一定的變化，產生這種差異的原因可能是由于稀土元素 Pr、 Nd的存在改變了凝固過程中共晶組織的結晶行為，共晶組織的形貌也是影響釬料焊點力學性能的一個重要因素。 時效過程中界面化合物的生長 在時效過程中，界面化合物層不斷生長，開始時，伴有較大的板條狀 Ag3Sn相，隨著時效的進行，板條體逐漸脫離 界面處的金屬化合物層 。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 31 參考文獻 [1] 中國電子學會生產技術學分會叢書編委會組編 .微電子封裝技術 [M].合肥 :中國科學技術大學出版社 ,20xx. 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