镍合金泡沫强化锡基焊料低温连接机理研究

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随着电子产品向体积微型化、功能集成化和高频率方向的迅速发展,电子封装领域对Cu焊点的可靠性要求越来越高,开发高性能的Sn基无铅焊料以获得具有高强度、高精度及良好高温稳定性的Cu互连接头已势在必行。本研究针对传统Sn基焊料强度低、制取高强度低温焊点所需钎焊时间长等问题,设计并开发了Ni基合金泡沫增强Sn基复合焊料,研究了不同Ni-Cu合金泡沫结构及成分对Sn复合焊料结构及性能的影响;以此为基础,系统研究了合金泡沫强化Sn基复合焊料低温钎焊Cu合金接头的冶金反应行为,阐明了接头的组织演变规律及机理;同时,对接头展开了强度测试,揭示了接头的强化机制及失效机理。本课题研究对Cu合金低温钎焊接头的冶金反应机制和强化机理有了新的认识,研究成果对提升电子封装领域Cu互连焊点的可靠性具有重要意义。开孔Ni泡沫因其具有独特的多孔结构、优良的力学性能和与Sn基焊料较好的反应活性,本文将其引入作为Sn基焊料增强相,制备了Ni基泡沫合金强化Sn复合焊料片,并研究了不同孔隙度及Cu含量的Ni基泡沫合金增强相对Sn复合焊料片的强化机理。结果表明,减少Ni基泡沫的孔隙度、增加Ni基合金泡沫中的Cu含量,均有助于提高复合焊料的抗拉强度。Ni基合金泡沫/Sn复合焊料的抗拉强度高于其选用的Sn焊料基体和泡沫增强相之和,强度显著提升主要归因于泡沫骨架的三维互穿结构,其使基体和增强相在空间连续分布并保持各自的力学性能,同时又能对整体起到强化作用。本文选用Ni泡沫/Sn复合焊料对T2紫铜分别进行了低温超声波辅助钎焊和真空钎焊,并对比研究了不同钎焊工艺及Ni泡沫孔隙度对接头组织演变规律及性能的影响。结果表明,在不同钎焊工艺下Ni泡沫/Sn复合焊料均能有效细化焊缝中晶粒,提升接头的剪切强度。使用98%孔隙度Ni/Sn复合焊料的钎缝中仅有(Cu,Ni)6Sn5相,而使用60%孔隙度Ni/Sn复合焊料的接头中却为层状(Cu,Ni)6Sn5和(Ni,Cu)3Sn4相。使用Ni/Sn复合焊料超声钎焊时,金属间化合物(IMCs)在空化作用和机械振动下以小颗粒状游离于钎缝中。空化效应促进Ni、Cu、Sn反应更加充分,IMCs变成了细小的颗粒并均匀分布在整个焊缝中。而采用Ni/Sn复合焊料真空钎焊时,(Cu,Ni)6Sn5逐渐增加并布满焊缝,且晶粒尺寸减小,Cu3Sn层变厚。当使用高孔隙度Ni/Sn复合焊料时接头内为固液反应,Ni和Cu原子的交互反应会促进IMCs晶粒细化;当使用低孔隙度Ni/Sn复合焊料时接头内为固相扩散反应,(Cu,Ni)6Sn5向(Ni,Cu)3Sn4发生固相转变,导致IMCs重新形核,晶粒变小。超声钎焊60s时接头剪切强度最高为86.9MPa,而真空钎焊接头的剪切强度先升高而后降低,60min时达到最高为76.9MPa,因此,采用Ni/Sn复合焊料,真空钎焊可以获得晶粒细化且性能与超声钎焊类似的Cu接头。在此基础上,系统研究了不同Cu含量和孔隙度的Ni-Cu合金泡沫强化Sn复合焊料低温真空钎焊接头的组织演变规律以及晶粒尺寸变化,重点分析了合金泡沫与Sn的冶金反应行为以及晶粒细化机理。结果表明,使用不同合金泡沫复合焊料片低温真空钎焊接头中相组成和晶粒尺寸明显不同。随着Ni-Cu合金骨架中Cu含量的增加和孔隙度的减小,焊缝中(Cu,Ni)6Sn5向(Ni,Cu)3Sn4发生固相转变,Cu3Sn层的生长受到抑制,IMCs晶粒尺寸减小。焊料中Cu、Ni成分的改变导致(Cu,Ni)6Sn5溶解机制逐渐取代剥落机制。同时,相转变和晶粒细化两者相互促进,实现(Cu,Ni)6Sn5向(Ni,Cu)3Sn4的迅速转变。Cu含量在40~50 at.%之间时,接头具有较好性能。随后,通过第一性原理计算了不同浓度Ni、Cu掺杂的(Cu,Ni)6Sn5和(Ni,Cu)3Sn4相的结合能和生成焓,从热力学方面阐述了(Cu,Ni)6Sn5和(Ni,Cu)3Sn4相发生相转变的机理及(Cu,Ni)6Sn5中Ni的最大溶解度的成因。通过理论计算证明了Cu3Ni3Sn5的原子间结合力最大,结构最稳定。同时通过计算分析Ni、Cu掺杂对(Cu,Ni)6Sn5和(Ni,Cu)3Sn4的弹性常数及电子态密度的影响,进一步揭示Ni-Cu-Sn体系的结构稳定性和性能强化机制。测试了不同成分Ni-Cu合金泡沫强化Sn复合焊料低温真空钎焊Cu接头的剪切强度,并揭示了接头的断裂机制。结果表明,Ni泡沫骨架的合金化、Cu含量的增加和孔隙度的减小均可提高钎焊Cu接头的剪切强度。随着真空钎焊时间的延长,Ni-Cu合金泡沫强化Sn复合焊料片钎焊接头的剪切强度也表现出先升高后降低的特点,接头强度可达79.9 MPa。钎焊10~60 min时,剪切强度明显改善,主要归因于晶粒细化和合金骨架的协同强化效应;当钎焊时间进一步延长至120 min时,由于Cu3Sn层的过度生长而弹性模量失配,导致接头强度急剧下降。
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