Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊及焊点可靠性研究

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随电子组装和封装日趋向高密度、高精度、细间距和微尺度化方向发展,人们对无铅钎焊工艺性及其微焊点可靠性提出了更高要求。开发出可以替代SnPb钎料具有环境友好、高强度和高可靠性的无铅钎料已成为微连接领域的研究热点之一。SnAgCu系包括SnAgCuRE系无铅钎料是SnPb钎料最具有潜力的替代品之一。但此类钎料合金焊点可靠性有时仍显不足,不能适应微连接对无铅焊点提出的更高要求,已成为微连接无铅研究领域亟待解决的问题。开展相关高强度、高可靠性无铅钎料的研究对提高微连接无铅焊点的质量,具有重要意义。本文采用正交试验方法,研究了Ni添加量、钎剂、钎焊温度和时间等参数对低银Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu无铅焊点界面金属间化合物(IMC)和焊点力学性能的影响,确定了最优钎焊工艺参数。以此为基础,研究了Ni添加量等参数对时效过程中Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu焊点界面IMC形貌、生长动力学和焊点断裂机制的影响,并确定了Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi无铅钎料的最优成分。研究结果表明:添加适量Ni能显著细化Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE无铅钎料初生β-Sn相和共晶组织,抑制Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu焊点界面(Cu,Ni)6Sn5的生长和表面粗糙度的增加,提高焊点的力学性能。当Ni添加量为0.1%时,钎料合金组织细小均匀,共晶组织所占比例较多;焊点界面IMC薄而平整,(Cu,Ni)6Sn5颗粒尺寸小;对应焊点剪切强度最高为45.6MPa,较未添加Ni焊点剪切强度提高15.2%。随时效时间延长,Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu焊点界面(Cu,Ni)6Sn5和Cu3Sn厚度增加;(Cu,Ni)6Sn5由粗糙度较大的扇贝状变为粗糙度较小的层片状,其俯视形貌由小尺度的鹅卵石状变为较大尺寸的多面体状。添加适量Ni能降低界面IMC表面粗糙度和棱角数目,提高IMC生长激活能,降低IMC的生长速率,抑制焊点向脆性断裂方式转变,从而减缓焊点剪切强度下降。当Ni添加量为0.1%时,界面IMC薄而平整,(Cu,Ni)6Sn5颗粒尺寸小且棱角数目少,(Cu,Ni)6Sn5和Cu3Sn的生长激活能均达最大值86.8kJ/mol和93.7kJ/mol,对应焊点剪切强度最高。综合考虑Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.1Ni无铅钎料具有优良的钎焊工艺性和焊点可靠性,可满足现代微连接对焊点可靠性的更高要求。
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