【摘 要】
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近来,SAC钎料凭借优异的综合性能得到了广泛的关注,但高昂的成本限制了其大范围的工业应用,相比之下Sn-0.7Cu不仅价格低廉,而且具有良好的强度以及导电性,因此备受关注。然而,Sn-0.7Cu存在熔点较高、机械性能较差以及可靠性较低等问题,降低了其适用性。本文通过合金化和颗粒强化的方式分别制备了Sn-0.7Cu-xIn以及Sn-0.7Cu-xMo钎料,研究了增强相对钎料性能的影响。为了分析研究焊
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近来,SAC钎料凭借优异的综合性能得到了广泛的关注,但高昂的成本限制了其大范围的工业应用,相比之下Sn-0.7Cu不仅价格低廉,而且具有良好的强度以及导电性,因此备受关注。然而,Sn-0.7Cu存在熔点较高、机械性能较差以及可靠性较低等问题,降低了其适用性。本文通过合金化和颗粒强化的方式分别制备了Sn-0.7Cu-xIn以及Sn-0.7Cu-xMo钎料,研究了增强相对钎料性能的影响。为了分析研究焊点的EM失效模式,以Sn-0.7Cu作为对照,对三类钎料焊点在高电流密度加载下界面IMC层的宏观演化机制以及强化相作用机理进行了研究。对In合金化Sn-0.7Cu-xIn钎料的性能优化机制研究表明:合金化元素In有效地降低了Sn-0.7Cu-xIn钎料的熔点。随着In含量的增加,钎料的熔点下降、熔程扩大。In的添加在钎料基体中引入In Sn4相,In Sn4为β-Sn的生长提供了大量非均质形核点,细化了钎料的基体组织,提升了显微硬度。In的添加降低了钎料的导电能力,随着In含量的增加,钎料的电导率下降。In的加入提高钎料在Cu表面的润湿铺展能力,促进了界面IMC的生长。In提高了焊接接头的连接强度,含10 wt.%的Sn-Cu-In焊接接头相比于Cu/Sn-0.7Cu/Cu接头,其最大剪切载荷从1.33 k N上升至1.78 k N,最大剪切位移从2.14 mm增加至4.27mm。对Mo微米颗粒强化钎料的性能优化机制研究表明:Mo微米颗粒对钎料的熔化特性、电导率和润湿性能影响较小。Mo微米颗粒的掺杂细化了钎料的基体组织,提高了钎料的显微硬度。Sn-0.7Cu-0.25Mo基体的显微硬度达到了14.59 HV,相比于Sn-0.7Cu提升了30.24%。Mo微米颗粒抑制了界面IMC的生长、细化了IMC颗粒尺寸。在Sn-0.7Cu-0.25Mo/Cu焊点界面处,IMC层的厚度和颗粒尺寸分别为1.812μm以及1.359μm,相比于Sn-0.7Cu/Cu界面IMC层3.389μm的厚度和4.516μm的颗粒尺寸大幅度下降。Mo微米颗粒的掺杂提高了钎料焊接接头的强度。在焊接接头的剪切拉伸测试中,Sn-0.7Cu-xMo复合钎料的接头可以承受比Cu/Sn-0.7Cu/Cu接头更大的剪切载荷以及剪切位移量。在2.0ⅹ10~3 A/cm~2的电流密度下,对三类钎料的焊点进行了电迁移测试,结果表明:Sn-0.7Cu-0.25Mo钎料的导电能力受电流影响相对较小。在384 h的电迁移测试中,Cu/Sn-0.7Cu-0.25Mo/Cu焊点的实时电阻增加了0.64%,Cu/Sn-0.7Cu/Cu和Cu/Sn-0.7Cu-10In/Cu焊点在相同条件下分别增加了2.75%和2.43%。通电结束后观察两极界面,发现裂纹仅在Cu/Sn-0.7Cu/Cu阴极侧出现,Cu/Sn-0.7Cu-0.25Mo/Cu焊点两极界面IMC受电流影响相对较小。In和Mo微米颗粒的加入均提高焊点在高电载荷下的可靠性,但两者的作用机理不同。In原子在背应力的作用下反向扩散补充了阴极侧的原子流失,抑制裂纹的产生,而Mo微米颗粒则是通过形成平面形的IMC结构,消除了原本Cu原子快速扩散的通道,延缓了电流作用下界面IMC层的变化。
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