Sn-58Bi-xMo复合钎料焊点界面组织形态与可靠性研究

作     者：朱路 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨莉

授予年度：2018年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：Sn-58Bi Mo颗粒 焊点 组织 界面形态 可靠性 

摘      要：Sn-58Bi系无铅钎料因其较低的熔点、良好的铺展性能以及良好的保存稳定性而广泛应用在电子封装行业,但Sn-58Bi钎料凝固时容易析出粗大的脆性富Bi相,且随着电子产品微型化的发展,互连焊点的特征尺寸逐渐减小,封装可靠性问题显得更加突出。为了增强Sn-58Bi钎料的可靠性,向其中添加增强颗粒是一种行之有效的方法。本文在Sn-58Bi钎料中添加纳米Mo颗粒,研究了不同含量Mo（0、0.25wt.%、0.50wt.%、1.00wt.%、2.00wt.%）对Sn-58Bi共晶钎料的润湿性、焊点显微组织、界面金属间化合物（IMC）层、拉伸和剪切性能以及拉伸断口形貌的影响规律,得出最优的Mo颗粒添加量,并在此基础上研究时效时间、时效温度、热循环次数以及回流时间对Sn-58Bi钎料和最佳Mo含量复合钎料焊点显微组织演变、界面生长行为以及可靠性的影响,并建立时效过程中复合钎料焊点的IMC层生长动力学方程,最后探究纳米Mo颗粒增强Sn-58Bi复合钎料焊点可靠性的强化机理。研究了Sn-58Bi-xMo（x=0-2.00）钎料焊点的显微组织、润湿性和力学性能,并对焊点的拉伸断口进行分析。结果表明:添加适量的纳米Mo颗粒能够提高Sn-58Bi钎料的润湿性能,且Sn-58Bi-0.25Mo钎料焊点的显微组织最为细小,界面IMC厚度最为适中。添加0.25wt.%的Mo颗粒能够改善焊点的拉伸性能和剪切性能,且随着纳米Mo颗粒含量的增加,Sn-58Bi钎料焊点的抗拉强度、延伸长度以及剪切强度均呈现先上升后下降的趋势,且均在Mo含量为0.25wt.%时达到最大值。Sn-58Bi钎料焊点的拉伸断口呈现台阶状,断裂形式为脆性断裂,Sn-58Bi-0.25Mo复合钎料焊点的拉伸断口表面不平整,并且在断口处发现少量的撕裂痕,断裂方式为韧性断裂和脆性断裂的混合。研究了时效时间、时效温度、热循环次数以及回流时间对Sn-58Bi-xMo（x=0、0.25wt.%）焊点显微组织演变和界面IMC层生长行为的影响。结果表明:随着时效时间和时效温度的增加,Sn-58Bi和Sn-58Bi-0.25Mo钎料焊点的显微组织呈不断粗化的趋势,且两种钎料焊点界面IMC层的厚度呈上升的趋势,但Sn-58Bi-0.25Mo在时效过程中获得了相对更加平坦稳定的层状结构。随着热循环次数的增加,两种钎料焊点的显微组织均发生了明显的粗化现象并且出现了大块的Bi相富集,界面IMC层的厚度均不断增加,但Sn-58Bi-0.25Mo焊点界面IMC层直接转变为相对连续和平坦的微观结构。回流时间越长,焊点的显微组织越粗大,Sn-58Bi-0.25Mo焊点界面IMC层转变为相对稳定的部分锯齿和针状。相比于Sn-58Bi而言,同一时效时间、时效温度、热循环次数以及回流时间下Sn-58Bi-0.25Mo焊点的显微组织更细小、粗化的趋势更小,其焊点界面IMC层的界面形态更加稳定且厚度增加速率更低。研究了时效时间、时效温度、热循环次数以及回流时间对Sn-58Bi-xMo（x=0、0.25wt.%）焊点可靠性的影响。结果表明:随着时效时间、时效温度、热循环次数以及回流时间的增加,Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.25Mo复合钎料焊点的拉伸强度和剪切强度均呈下降的趋势,相同条件下的Sn-58Bi-0.25Mo钎料焊点的拉伸强度和剪切强度更高,且其拉伸强度和剪切强度的下降趋势相也小于Sn-58Bi焊点。同一条件下与Sn-58Bi相比,Sn-58Bi-0.25Mo钎料焊点拉伸断口表面更加粗糙不平,且表面没有空洞的存在,在时效时间、时效温度、热循环次数以及回流时间增加的过程中保持了相对较好的力学性能。研究了Sn-58Bi和Sn-58Bi-0.25Mo复合钎料焊点界面IMC生长动力学以及纳米颗粒Mo增强Sn-58Bi复合钎料焊点可靠性的强化机理。结果表明:与时效时间相比,时效温度是导致钎料焊点界面IMC层过度生长的关键因素。时效过程中Sn-58Bi-0.25Mo钎料焊点的界面IMC层生长速率要低于同温度的Sn-58Bi钎料焊点,两种焊点的界面IMC生长激活能分别为48.94 k J/mol和53.79 k J/mol。在热时效过程中,Mo颗粒的添加能够抑制焊点界面IMC层的过度生长,表现出更好的热稳定性。纳米Mo颗粒主要通过细晶强化、奥罗万强化、热失配强化以及界面IMC强化等机制来提高Sn-58Bi钎料焊点的可靠性。