Sn-0.7Cu系无铅钎料微合金化及焊点界面微结构研究

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Sn-Pb钎料具有低熔点、良好的润湿性和力学性能等优点,曾是电子封装行业中最常用的软钎焊料。由于铅及其含铅化合物对人体健康和环境产生严重危害,许多国家已相继颁布法律法规严格限制含铅产品的生产与使用,在电子封装领域中使用无铅钎料已是大势所趋。目前最常见的无铅钎料有Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Zn系和Sn-Bi系等钎料,其中Sn-0.7Cu无铅钎料相比其他无铅钎料拥有绝对的价格优势,被广泛应用于无铅波峰焊中。该钎料同时也存在一些不足,如润湿性能差、拉伸强度较低、熔点相比Sn-37Pb钎料较高。无铅钎料的微合金化是提高钎料性能一种非常有效的方式,本文主要分析和探究在Sn-0.7Cu系无铅钎料中添加微量Ni、In元素对钎料性能及焊点界面微结构的影响。为了研究微量Ni、In元素的添加对Sn-0.7Cu共晶无铅钎料热行为造成的影响,对Sn-0.7Cu-x Ni(x=0,0.1,0.25,0.5和1.0 wt.%)和Sn-0.7Cu-0.1Ni-xIn(x=0,0.5,1.0和2.0 wt.%)钎料进行DSC差热分析测试。实验结果表明,Ni的添加对Sn-0.7Cu钎料熔点影响并不明显,但能明显降其料过冷度,其中添加1.0 wt.%的Ni使Sn-0.7Cu钎料的过冷度降低20.4 oC;添加微量的In元素同时降低钎料的熔点和过冷度,其中添加2.0 wt.%的In元素使Sn-0.7Cu-0.1Ni钎料的熔点降低6.3 oC,过冷度降低11.2 oC。通过扫描电子显微镜(SEM)对Sn-0.7Cu-xNi与Sn-0.7Cu-0.1Ni-xIn钎料金相组织观察发现,添加微量Ni元素后钎料基体中β-Sn初生相得到细化并生成较大尺寸的(Cu,Ni)6Sn5化合物;添加微量的In元素后同样使β-Sn初生相细化并生更多更分散的(Cu,Ni)6Sn5,经能谱仪(EDS)分析表明,In元素均匀分布在钎料基体中,并未发现含In的金属间化合物(IMC)生成。对Sn-Cu-Ni/Cu焊点进行搭接剪切测试,实验结果表明焊点的剪切强度随着Ni含量增加而逐渐增加,断裂主要发产生在钎料部分。对焊点界面IMC观察测量后发现,添加微量Ni元素使界面IMC层的厚度明显增加,界面IMC层的形貌由扇贝状变成平坦的多层颗粒堆积状,并且能够明显抑制固态时效中Cu3Sn化合物层的生长;界面IMC晶粒尺寸的测量结果表明,0.1 wt.%Ni的添加对界面IMC晶粒生长产生明显的抑制效果,并随着Ni含量的不断增加界面IMC晶粒尺寸逐渐减小。对Sn-0.7Cu-0.1Ni-xIn/Cu焊点界面IMC厚度及晶粒尺寸观察测量表明,In元素的添加并未对界面IMC的生长产生明显的抑制或促进效果。通过EDS对界面IMC进行元素成分分析,并未在界面IMC中检测到In的存在,In元素则是均匀分布在钎料基体中。通过Sn-0.7Cu-0.1Ni-xIn钎料合金在Cu基板上的润湿铺展性实验发现,在Sn-0.7Cu-0.1Ni钎料中添加微量的In元素后,钎料润湿铺展性能得到极大地提高,当In含量为1.0 wt.%时,其润湿铺展面积相比Sn-0.7Cu-0.1Ni钎料增加了近60%。
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