Sn-ZnCu焊点时效后剪切强度与界面显微组织分析 毕业论文.doc
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1、 Sn-Zn/Cu焊点时效后剪切强度与界面显微组织分析摘要由于环境保护法规和微电子高集成化发展的要求,新型无铅电子焊料的研究和开发成为电子和材料界近年的热点之一。目前应用最为广泛的是Sn-Ag-Cu系合金无铅焊料,但其价格较高。因此成本低廉、熔点较低、力学性能良好的共晶Sn-Zn系合金Sn-9Zn受到许多研究者的关注。近年来,已有部分有关Sn-Zn无铅钎料剪切强度及界面显微组织的研究,但这些研究主要集中在Sn-Zn合金用于两Cu片搭接形式,对于其在PCB板焊点的的研究甚少。本文以Sn-9Zn无铅钎料为研究对象,采用OM, SEM,及EDS等分析手段,主要研究了Sn-Zn/Cu焊点在150,时效
2、160小时后的剪切强度及其界面显微组织。结果表明,随BGA球直径增大,时效后界面处(Cu、Zn)6Sn5金属间化合物(IMC)增多,界面化合物层厚度增加,其剪切强度先降低然后增大。焊点直径为750m时,在界面处Cu原子与Sn、Zn形成Sn-Zn-Cu化合物;焊点直径为1000m时,Cu原子穿过界面,进入钎料内部,在钎料内与富Zn相形成Cu5Zn8化合物,与Sn相形成(Cu、Zn)6Sn5,并且这两种化合物呈层片状交叉分布;焊点直径为1300m时,Cu原子并未扩散出界面,在界面内与Zn、Sn形成(Cu、Zn)6Sn5和Cu5Zn8化合物,并且也呈层片状交叉分布。关键词 Sn-9Zn;时效处理;剪
3、切强度;IMC;显微组织 Analysis of Aging Treatment on Microstructure and Shear Strength of Sn-Zn/Cu solder jointAbstractDevelopment of lead-free solders has been an urgent task in electronics end materials industry because of the prohibition of lead-containing solders by legislations of environment concern an
4、d the requirement of high-density integration development of microelectronics. At present , the most widely used lead-free solders are Sn-Ag-Cu, but their price is higher. So, eutectic Sn-9Zn has gained much attention because of its low cost, favorable melting point and good mechanical properties.In
5、 recent years, there have been some researches on shear strength and microstructure interface of Sn-Zn lead-free solders, but these researches mainly focus on the Sn-Zn alloy ,which is used for lap welding of copper sheet, while its PCB welding is scarce.In this paper, the effect of aging treatment
6、under 160h,150on microstructure and shear property of Sn-Zn/Cu solder joint are studied by optical microscope(OM),scanning electron microscope(SEM),energy dispersive spectrdmeter(EDS).The result showed that the effective contact area of Sn-Zn/Cu solder joints increased with the diameter of BGA incre
7、ases. After aging treatment, (Cu、Zn)6Sn5 intermetallic compound (IMC) increased, while the shear strength reduced.And after aging treatment, Cu atoms in Sn-Zn/Cu solder joints interface area spread to solder side. When solder joints diameter is 750 m, Cu atoms and Sn,Zn form complex IMC in the inter
8、face; When solder joints diameter is 1000 m, Cu atoms enter into the solder through the interface compound layer, and form Cu5Zn8 compounds with rich Zn phase in solder, and form (Cu、Zn)6Sn5 with Sn phase, this two compounds are layers flake cross distribution; When solder joints diameter is 1300 m,
9、 Cu atomic do not spread out interface compound layers, and form (Cu、Zn)6Sn5 and Cu5Zn8 compound with Zn, Sn in compound layers, also show layers flake cross distribution.Keywords: Sn-9Zn; aging treatment; shear strength; IMC; microstructure不要删除行尾的分节符,此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的目的及意义
10、11.2 国内外无铅钎料的开发21.2.1 国内无铅钎料的研究现状31.2.2 国外无铅钎料的研究现状31.3 Sn-Zn系无铅焊料的研究进展41.3.1 Sn-Zn二元合金的研究51.3.2 Sn-Zn 焊点可靠性研究71.4 本文研究的要内容8第2章 Sn-Zn/Cu焊点时效后剪切强度92.1 引言92.2 试验方法及过程92.2.1 Sn-9Zn焊球尺寸的选择92.2.2 Sn-9Zn钎料合金的制备122.2.3 回流焊试验132.2.4 时效试验152.2.5 剪切强度的测量152.3 试验结果与分析162.3.1 剪切强度测试结果162.3.2 时效处理对钎焊接头剪切强度的影响172
11、.4 本章小结18第3章 Sn-Zn/Cu焊点时效后界面显微组织分析193.1 引言193.2 界面显微组织及相分析试验193.2.1 显微组织分析用镶块试样的制备193.2.2 金相显微分析(OM)试验203.2.3 扫描电镜分析(SEM)试验203.3 试验结果与分析213.3.1 剪切断口形貌变化213.3.2 界面金属间化合物厚度变化243.3.3 界面金属间化合物组织及形貌分析263.4 本章小结29结论30致谢31参考文献32附录A34附录B41千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行
12、后加一空行33哈尔滨理工大学学士学位论文第1章 绪论1.1 课题的目的及意义锡钎焊的历史非常长,可以追溯到人类开始使用金属的青铜器时代,早在公元前3500年,波斯的银摆设已经是用锡钎焊成的。经过了很长的历史,第二次世界大战后锡钎焊的形态发生了突变。即开始使用印刷线路板;自动化有了很大的进展;确立了热熔焊和波峰焊技术,应用范围迅速扩大。毫无疑问,与半导体产业的成长一起,封装技术的飞跃发展对电子产业的成长做出了很大的贡献1。随着电子产品不断朝向“轻、薄、短、小”及多功能化方向发展,电子封装也日益趋向高密度、高精度、小型化、集成化和微尺度的方向演变。BGA 封装正是为适应电子产品的发展而出现的一种新
13、型封装技术,在BGA封装中,芯片与PCB基板是靠排列成栅格的小球相连接,这些小球既起到信号传输作用又起到机械连接作用,所以必须具有高的可靠性。BGA 技术具有为芯片高密度 I/O 端子提供可能性的优点。以往的封装中用Sn-Pb系合金做为连接焊料,然而社会的不断发展使得人类环保意识不断提高,绿色环保型经济成为今后世界经济发展的主流23。研究表明Pb是一种有毒元素,长期使用会严重威胁人类健康,而且现代电子工业的发展和电子产品的更新换代越来越快,电子垃圾中Pb对环境的污染和对人类健康的威胁己不容忽视,这使得使用无铅钎料替代传统的锡铅钎料的呼声越来越高涨。各发达国家为了适应这个要求,并能在未来激烈的世
14、界经济竞争中占有一席之地,相继出台了相应的法律法规来限制含铅钎料的使用,并制定了明确的无铅化时间表,如:美国拟在2008年全面使用无铅产品;日本规定2001年在电子工业中淘汰含铅钎料;欧盟的淘汰期为2004年。我国的无铅化运动虽然起步较晚,但政府采取了积极措施,国家“863”、“973”等科技攻关计划都在无铅连接和封装、无铅压电陶瓷的研制等方面给予一定的资助46。随着高密度电子封装技术的发展,对焊点可靠性的要求日益苛刻。传统的锡铅焊料由于剪切强度较低、抗热疲劳性能以及抗蠕变性能较差等缺点,已经不能满足使用要求。在其它领域也对钎料合金性能不断提出要求,如陶瓷与金属的钎接时需要非晶态钎料,汽车行业
15、中需求复合钎料,还有热敏感电子元器件要求钎料具有低熔点特性等等。因此,对性能、成本均理想的无铅钎料的研制成为热点79。目前封装工艺主要集中在Sn-Ag(-Cu)系合金上1。这是国际上公认的无铅焊锡的首选材料。另外,其他添加Bi或In的Sn-Ag系,或者共晶温度为198的Sn-Zn系研究也正在进行,在实用化方面也有进展。另外Sn-Cu系焊锡由于价格比较低,作为波峰焊用的焊锡应用范围正在扩大。除此之外,能在更低的温度进行热熔焊的焊锡,例如在180可以使用的焊锡有Sn-Bi为代表的低温焊锡。这种焊锡到目前为止一直应用于一些特殊的场合,其缺点是本身比较脆。在一些特定条件可以考虑使用。对于这些无铅焊锡不
16、能覆盖的封装领域,还可以考虑能在150以下的低温进行封装,并且能代替高温焊锡的导电性黏结剂。焊锡无铅化途径1如图1-1所示:图1-1 焊锡无铅化的途径然而在电子产品的集成度越来越高,焊点的服役条件越来越严格的今天,仅仅考虑焊锡无铅化的实施还不能满足实际的应用,还需对焊点的可靠性提出了更高的要求。因此,研究无铅焊料连接的可靠性,尤其是其时效后的剪切强度及界面显微组织,为无铅焊料连接的可靠性提供必要的理论依据很有实际意义。1.2 国内外无铅钎料的开发理想的无铅焊料最好与原来的Sn-Pb共晶焊料有相同或相近的性能,比如具备低熔点,能像纯金属那样在单一温度下熔融、凝固,具有与Sn-Pb相同的熔融温度范
17、围、良好的接合性能和浸润性等。对于无铅焊料替代原来共品有铅焊料的主要要求是10:(1)成本适中;(2)电、力学性能良好;(3)浸润性良好;(4)无潜在的电解腐蚀或品须生长;(5)可被加工成各种形状;(6)可采用现有的焊剂系统,不需要采用氮气保护就能促进有效浸润;(7)能够与市场上流行的波峰焊、SMT和手工组装等工艺兼容。从1990年美国提出了对含铅钎料的使用规定起,美国国家生产科学研究所(NCMS)的Lead-Free Solder计划、欧洲的IDEALS计划和日本的新能源产业技术综合开发机构(NEDO)相继展开了无铅焊料的研发。1.2.1 国内无铅钎料的研究现状我国是目前全世界最大的电子产品
18、生产基地,但是在我国,电子产品无铅化进程相对比较落后,至今仍未出台相关的法规限制电子产品中的Pb的含量,商业化的无铅电子产品在国内也没有得到广泛推广。针对无铅化趋势的到来,我国也已制定电子信息产品污染防治管理办法,规定自2006年7月1日禁止电子产品中含Pb。由于我国对无铅焊料的研究起步较晚,这几年才有几所高校及研究机构进行研究,如清华大学、哈尔滨工业大学、中科院金属研究所、大连理工大学、北京工业大学、四川大学、中科院上海冶金所和广州电子元器件可靠性物理国家重点试验室等,国家863, 973计划已设项,研究工作主要集中于确定新型焊料合金成分,及焊料多元合金化设计,改善焊料性能,提高焊接可靠性等
19、,但工作尚少。目前,国内关于无铅焊料和无铅钎料的专利共有69条,从中可以看出我国自己的专利申请速度在不断加快。但大多数专利是在主要元素基础上,通过添加微量元素来改善焊料的性能,并且有的专利使用的组元太多,不易使用在实际的生产中。同时,这些专利范围的成分还没有达到最佳性能,因此还不能满足所有要求11。1.2.2 国外无铅钎料的研究现状美国、欧盟和日本等国在无铅焊料的研究和开发方面投入了大量的人力物力,相继开展了一系列的研究计划,从各方面来论证无铅焊料代替Sn-Pb焊料的可能性。美国的NCMS计划历时四年,投入超过1100万美元的研究费用对可能成为无铅焊料的79种合金进行了筛选,从经济性、毒性、资
20、源性以及润湿性能等方面考虑,最后只挑选了如表1所列的7种降低性无铅焊料合金。表1-1 7种无铅焊料(降低性选择/替代品)代码组成成分熔点()A1Sn-37Pb183A4Sn-3.5Ag221A6Sn-57Bi139E4Sn-3Ag-2Bi220F2Sn-2.6Ag-0.8Cu-0.5Sb211F17Sn-3.4Ag-4.8Bi210F21Sn-2.8Ag-20In187F27Sn-3.5Ag-0.5Cu-1Zn221所得到的结果都已被用来建立一个无铅焊料的数据库。1995年美国NEMI (The National Electronics Manufacturing Initiative,美国国
21、家电子制造创始组织)成立了一个研究计划,该计划于2002年1月顺利完成。其主要目标是确认能用于无铅焊的部件、材料和工艺条件,并建立无铅焊料工艺的评价标准。在欧盟,由英国的Marconi Materials Technology主持实施了IDEALS(Improved Design Life and Environmentally Aware Manufacturing of Electronics Assemblies by Lead-free Soldering)计划,主要成员有英国的Multicore Solder Ltd.、爱尔兰的National Microelectronics Re
22、search Center,荷兰的Philips和德国的Siemens等。其最主要的两个目标就是确定实现实用化的无铅焊料实装工艺条件及其在实用过程中的可靠性。日本的无铅焊料研究活动从1994年开始,其NEDO计划从1998年度实施,由JEIDA (Japanese Electronic Industries Development Association)和JWES(The Japan Welding Engineering Society)两个组织以实现无铅焊料实装的标准化为宗旨,共同承担了对无铅焊料的评价和研制工作。JWES的主要任务就是无铅焊料特性评价及材料数据库的设立等工作,JEIDA
23、的主要任务是无铅焊料实装可靠性及其应用数据的研究工作12。这些计划的实施极大地程度地丰富了无铅焊料的数据库,使人们对无铅焊料有了更多的认识和了解,从而在选择Sn-Pb焊料的代替品时有了较可靠的理论依据。但这些研究结果尚不理想,如Sn-Ag-Cu合金焊料因其力学性能和抗氧化性能优越而倍受关注,但是由于Ag的价格较高,且该系的合金焊料的熔点比现行的Sn-Pb焊料高而难以大规模应用。1.3 Sn-Zn系无铅焊料的研究进展如前所述,Sn-Ag-Cu合金焊料因其较好的工艺性能和力学性能而成为现行无铅电子焊料的主流。但由于Sn-Ag-Cu系合金的熔化温度为217,比Sn-Pb共晶焊锡的183高出34。虽然
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