【正文】 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 31 參考文獻 [1] 中國電子學(xué)會生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會叢書編委會組編 .微電子封裝技術(shù) [M].合肥 :中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 ,20xx. [2] 李志遠 .先進連接方法 [M].北京 :機械工業(yè)出版社 ,20xx. [3] 何柏林 ,于 影霞 , 張馨 ,等 . 無鉛釬料的研究現(xiàn)狀及進展 [J]. 熱加工工藝 , 20xx, 35(15): 52~55. [4] Ogunseitan O A. Public health and environmental benefits of adopting leadfree solders. Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, 20xx, 59(7): 1217. [5] 戴家輝 , 劉秀忠 , 陳立博 . 無鉛釬料的立法與發(fā)展 [J]. 山東機械 ,20xx, 1: 7~12. [6] 王磊 . 無鉛焊錫開發(fā)研究的動向 [J]. 材料與冶金學(xué)報 , 20xx, 22(4): 9~14. [7] Frear D, Grivas D, Morris J W. A microstructural study of the thermal fatigue failures of 60Sn40Pb solder joints. Journal of Electronic Materials, 1988, 17(2): 171180. [8] Werner Engelmaier. A Guide to Leadfree SoldersPhysical Metallurgy and Reliability [M]. SNdinger, 20xx. [9]。 時效過程中 Ag3Sn 化合物的生長 Ag3Sn化合物在時效過程中基本不生長，僅在開始時在界面處析出板條狀 Ag3Sn。但當(dāng)含量達到 %時，會產(chǎn)生較大的塊狀富稀土相，影響焊點的性能。 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(shè)計（論文）報告紙 29 (a)SAC (b) (c) (d) (e) 圖 0 小時時效下焊點組織形貌 (a) SAC (b) (c) 圖 360 小時時效條件下，焊點化合物 銅錫相 生長形貌 (a)SAC (b) (c) 圖 360 小時時效條件下，焊點化合物銀錫相生長形貌 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 30 第五章結(jié)論 時效后微焊點力學(xué)性能變化 添加微量稀土元素 Pr或 Nd，均可提高焊點剪切強度。 從稀土元素 Pr、 Nd與 Sn、 Ag和 Cu的作用傾向來看，其與 Sn的化學(xué)親和力參數(shù)要大于與 Ag、 Cu的化學(xué)親和力參數(shù)，因而稀土元素具有 ―親 Sn‖性，容易與 Sn相互作用，生成 SnX（ Pr、 Nd） 化合物，降低 Pr的活度，從而降低 Sn與其他元素結(jié)合的驅(qū)動力，抑制金屬間化合物的生長。 如圖 ，在時效過程中，稀土元素 Pr、 Nd可以抑制銅錫化合物的長大，雖然聚集長大趨勢不變，但塊狀體略微變小。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(dāng)?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(chǎn)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(jié)晶行為，共晶組織的形貌也是影響釬料焊點力學(xué)性能的一個重要因素。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 28 (a) (b) (c) 圖 SAC/Cu 焊點不同時效時間的 Ag3Sn 形貌 (a) 0h, (b) 120h, (c) 240h 稀土 Pr、 Nd 對化合物生長的影響 如圖 (b)、 (d)所示， 添加 Pr和 Nd后 的 土 Pr的 ，仍由白色的 βSn枝晶和黑色的共晶組織組成，但粗大的初生 Cu6Sn5和 Ag3Sn基本消失。但是在一些特殊情況下， Ag3Sn相會在界面附近的釬料中異常析出，如圖 （ a） 。 (a) 0 小時 (b) 120 小時 (c) 240 小 時 (d) 360 小時 (e) 480 小時 圖 SAC/Cu 焊點中 Cu6Sn5 化合物時效過程中生長狀況 時效過程中 Ag3Sn 化合物的生長 焊點 中的 Ag3Sn相基本不會隨著時效的進行，產(chǎn)生明顯的變大現(xiàn)象。 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。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 26 (a)SAC 0 小時 (b) 0 小時 (c) 0 小時 (d) SAC 240 小時 (e) 240 小時 (f) 240 小時 (g) SAC 480 小時 (h) 480 小時 (i) 480 小時 圖 SACxNd/Cu 焊點時效界面形貌 圖 富稀土相成分分析圖 Cu6Sn5 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 27 第四章釬料 /Cu 焊點內(nèi)部化合物生長 時效過程中 Cu6Sn5 化合物顆粒的生長 如圖 ， βSn枝晶、黑色的共晶組織以及金屬間化合物組成。另一個原因是，高熔點化合 物 NdSn3作為形核的中心，促進了凝固過程中錫枝晶的形成。 Cu6Sn5主要是依靠 Cu原子穿越金屬間化合物，擴散至金屬間化合物 /釬料界面，與Sn反應(yīng)得到，故 Cu6Sn5的吉布斯自由能 ΔG主要是由 Cu6Sn5/釬料界面處 Sn元素的活性決定，因此降低 Sn元素的活性 是 抑制界面處 Cu6Sn5生長的有效手段。 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 。 (a)SAC 0 小時 (b) 0 小時 (c) 0 小時 (d) SAC 240 小時 (e) 240 小時 (f) 240 小時 (g) SAC 480 小時 (h) 480 小時 (i) 480 小時 圖 SACxPr/Cu 焊點時效界面形貌 圖 EDS 成分分析圖 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 25 圖 EDS 成分分析圖 稀土 Nd 對界面化合物生長的影響 稀土元素 Nd對界面金屬間化合物層的影響與稀土元素 Pr類似，從圖 ，比較相同時效時間的 5號試樣，加入稀土元素 Nd的試樣 IMC層較薄，說明稀土元素 Nd有效抑制了金屬間化合物層的生成。 從稀土元素 Pr與 Sn、 Ag和 Cu的作用傾向來看，其與 Sn的化學(xué)親和力參數(shù)要大于與 Ag、 Cu的化學(xué)親和力參數(shù)，因而稀土元素 Pr具有 ―親 Sn‖性，容易與 Sn相互作用，生成 SnPr化合物，降低 Pr的活度，從而降低 Sn與其他元素結(jié)合的驅(qū)動力，抑制金屬間化合物的生長。 在對圖 (c)可以發(fā)現(xiàn) ， 釬料組織中出現(xiàn)黑色 SnPr金屬間化合物，黑色稀土相的存在會惡化釬料的性能。 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。這種板條狀 Ag3Sn相的存在會對焊點性能帶來不利的影響。 Cu基板上， 界面化合物層為呈扇貝形的 Cu6Sn5，其向釬料基體中生長 。一個好的合金結(jié)合應(yīng)有一個合理的界面層厚度。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。 在時效過程中，由于釬料和基體元素原子的相互擴散，界面 IMC要繼續(xù)生長。界面處形成的一層金屬間化合物 (IMC)，不但受焊接過程中溫度、時間的控制，而且在后期的服役過程中其厚度也會隨著時間的延長而增加。因為金屬間化合物比較脆，容易產(chǎn)生龜裂，造成失效。 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(chǔ)。隨著時間的推移，晶粒長大也是不可避免的。 在焊接工藝條件下，焊料的冷卻速度很快，界面組織中 的晶粒和金屬間化合物通常都難以長大，界面組織中甚至還有過飽和的被焊金屬原子存在。過量的界面反應(yīng)會引起界面層的晶粒大小、形狀和分布特征偏離初生的組織形態(tài)，嚴重時還會引起連接可靠性的問題。 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。比較普通 SnAgCu釬料和含 Pr的 SnAgCu釬料可知， Pr可以有效降低焊點剪切力在時效過 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 20 程中的下降幅度，同時隨著 Pr含量的增加，這種效果 增強。所以在釬料的影響中， Nd比 Pr對含量敏感性更大。 可以看出來，對于未時效的焊點 ，加入稀土元素 Pr后，可以提高焊點的剪切力，但隨著 Pr的含量增加后，焊點的剪切力下降，并低于普通SnAgCu釬料。 表 。由于組成焊點的不同相之間的熱膨脹不匹配，使焊點在服役過程中會經(jīng)歷周期性的應(yīng)變，形變量足夠大時會引起焊點中萌生微裂紋乃至斷裂。化合物的生長由動力學(xué)因素控制，研究表明，界面處元素的相互擴散是化合物層生長的控制因素，溫度升高會加速原子的相互擴散，使化合物層生長速度加快。 電子產(chǎn)品在服役過程中焊點處往往有電流通過，特別是在某些電流密度較高的場合，焊點處由電流產(chǎn)生的焦耳熱通常會導(dǎo)致 焊點 在較高溫度下工作，相當(dāng)于焊點在經(jīng)受高溫存儲作用。因此，焊點的力學(xué)性能也是釬料的重要考核內(nèi)容之一。 掃描電鏡分析 利用 Quanta200型掃描電子顯微鏡觀察分析釬料顯微組織 形貌， 利用 EDS進行成分分析 [55]。 金相顯微鏡分析 將釬料在 235℃ 下空冷后，截取適當(dāng)大小釬料塊進行鑲嵌粗磨、細磨（由于 Sn基釬 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 18 料質(zhì)地比較軟，磨樣時一定要輕磨以減少劃痕的出現(xiàn)，否則影響顯微組織的觀察）、拋光等工序后，采用 4%HNO3酒精溶液對試樣進行腐蝕，腐蝕時間為 3s左右。試驗根據(jù)美國電子電路和電子互連行業(yè)協(xié)會標準 IPCSM785 《 Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments》和美國軍用標準 MILSTD883 《 Test method military standard for microelectronics》的規(guī)定，將試樣在 150℃ 下存儲 0小時、 120小時、 240小時、 360小時和 480小時后，分別考察焊點力學(xué)性能的變化及界面組織的演化。因此，焊點的可靠性已成為電子封裝與組裝中的關(guān)鍵問題之一，有必要對其進行深入系統(tǒng)的研究。 釬料 /Cu 高溫時效試驗 焊點的可靠性問題一般是指電子元器件在服役過程中，由于電流熱效應(yīng)使得焊點發(fā)熱，較高的溫度加速了焊點界面原子的遷移和組織的演化，通常界面處的金屬間化合物層會隨時間而逐漸增厚，硬且脆的金屬間化合物層是誘發(fā)裂紋萌生與擴展的源頭，最終造成焊點失效，一個焊點的失效都有可能造成整個產(chǎn)品故障。 (d) 剪切夾具首先與元器件輕微接觸（所施加力應(yīng)為焊點抗剪強度的 1/10以下）以避免對元器件造成沖擊，而后移動剪切夾具而進行加載并開始測定，剪切夾具的移動速度為 10mm/min。 (c) 剪切夾具與基板的間隙應(yīng)在元器件的 1/4厚度以下。 (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。圖 ，測試時推刀與電阻作用產(chǎn)生的相互作用力，通