文档介绍：中图分类号:TG454 论文编号:1028706 13-S009
学科分类号:080503
硕士学位论文
SnCuNi-xPr 无铅钎料组织、性能和
焊点可靠性研究
研究生姓名罗家栋
学科、专业材料加工工程
研究方向微电子组装与封装
指导教师薛松柏教授
南京航空航天大学
研究生院材料科学与技术学院
二О一三年三月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Materials Science and Technology
Study on the microstructure, properties and
joint reliability of SnCuNi-xPr
lead-free solder
A Thesis in
Materials Processing Engineering
by
Luo Jiadong
Advised by
Prof. Xue Songbai
Submitted in Partial Fulfillment
of the Requirements
for the Degree of
Master of Engineering
March, 2013
承诺书
本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进
行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致
谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成
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(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)
作者签名:
日期:
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
目前,在已开发的众多无铅钎料体系中,尚未有一种无铅钎料其综合钎焊性能可以完全与
传统的 Sn-Pb 钎料相媲美。同时为了满足电子产品日益微型化和高密度化的要求,新型无铅钎
料焊点强度及其在服役期间的可靠性已成为该领域研究的热点问题。微合金化是当前采用较多
的一种改善钎料性能的方式,因此,本文以 Sn-- 为研究对象,通过添加微量的稀土
元素 Pr 来进一步改进和完善钎料的组织和性能,并着重分析了 Pr 元素的添加对 SnCuNi-xPr 钎
料焊点可靠性的影响。
研究发现,.%~.%的Pr元素可有效改善Sn--。
作为表面活性元素,Pr元素可吸附于晶界和相界处使组织变得均匀细密,同时大大降低液态钎
料的表面张力,提高其润湿性;但其对钎料的熔化行为未有太大影响,不会对元器件及现有钎
焊设备造成影响。
对 SnCuNi-xPr/Cu 焊点组织分析发现,.%Pr 元素的添加可使焊点内部 IMC 颗粒呈细
小均匀弥散分布,且主要分布于晶界处,有效阻碍晶界迁移,抑制晶粒长大,可同时通过细晶
强化和第二相强化的方式提高焊点力学性能。
恒温时效和热循环试验的结果表明,SnCuNi-xPr/Cu(x=0,,)焊点界面化合物随时
效时间的增长或热循环次数的增加逐渐变厚,且其厚度的增长与热循环次数 n 近似呈线性关系,
与时效时间 t 的相关系数分别为 , 和 ;同时在两种试验条件下, wt.%Pr 元素
的添加均可在一定程度上抑制焊点界面反应的进行,减小界面化合物的生长速度。
通过分析焊点界面化合物在两种试验条件下的生长机制发现,焊点界面化合物的生长可大
体分为三个阶段,首先是钎料与 Cu 基板在界面处反应生成扇贝状界面化合物的纵向生长阶段,
其次是扇贝状化合物受表面张力和自身曲率影响发生横向生长的阶段,以及焊点界面附近 IMC
颗粒合并粗化并与界面化合物融合的阶段。在整个过程中,原子间的相互扩散是导致焊点界面
化合物不断生长的最根本原因。
通过对比分析恒温时效和热循环试验的结果可知,SnCuNi-xPr/Cu(x=0,)焊点界面化合
物在 100℃恒温时效过程中的生长速度略高于其在-55℃~125℃范围内进行高低温热循环试验的
生长速度;但热循环