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电子互连无铅钎料及焊点蠕变行为研究进展

稀有金属材料与工程 2023年第12期52卷 4307-4324页

作者：张亮韩永典尹立孟胡小武孙磊厦门理工学院材料科学与工程学院福建厦门361024 天津大学材料科学与工程学院天津300350 重庆科技学院冶金与材料工程学院重庆401331 南昌大学机电工程学院江南南昌330031 常州大学机械与轨道交通学院江苏常州213164

针对近年来无铅钎料及焊点的蠕变失效问题,综合评述了蠕变变形行为及其在焊点可靠性评估中的应用。首先系统地介绍无铅钎料的蠕变行为,探讨含合金元素/颗粒无铅钎料蠕变性能改性机制。其次评述焊点蠕变行为,探讨焊点成分以及不同基板材... 详细信息

针对近年来无铅钎料及焊点的蠕变失效问题,综合评述了蠕变变形行为及其在焊点可靠性评估中的应用。首先系统地介绍无铅钎料的蠕变行为,探讨含合金元素/颗粒无铅钎料蠕变性能改性机制。其次评述焊点蠕变行为,探讨焊点成分以及不同基板材料对焊点蠕变特性影响的研究进展。再次结合具体电子器件,采用有限元模拟,分析基于有限元的焊点蠕变响应及疲劳寿命预测,评估焊点可靠性。最后针对无铅钎料及焊点蠕变行为的未来发展进行展望,分析其研究中存在的问题及解决办法,为焊点可靠性进一步研究提供理论支撑。

关键词：无铅钎料焊点蠕变行为蠕变疲劳寿命可靠性

基于JMat Pro的Sn-In-Ag/Bi系低温无铅钎料成分性能设计

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粉末冶金材料科学与工程 2022年第3期27卷 267-275页

作者：焦华白嘉瑜张建勋赵康西安理工大学材料科学与工程学院西安710048 西安理工大学陕西省腐蚀与防护重点实验室西安710048 西安交通大学金属强度国家重点实验室西安710049

针对Sn-In系低温无铅钎料存在生产成本高、力学性能偏低的问题,基于Sn-In合金相图选择低熔点的Sn-In系钎料合金,进行组分优化来改善热物性能、力学性能、降低成本的研究。在保持Sn75不变的情况下,通过添加Ag和Bi元素,形成不同组分比例的... 详细信息

针对Sn-In系低温无铅钎料存在生产成本高、力学性能偏低的问题,基于Sn-In合金相图选择低熔点的Sn-In系钎料合金,进行组分优化来改善热物性能、力学性能、降低成本的研究。在保持Sn75不变的情况下,通过添加Ag和Bi元素,形成不同组分比例的Sn-In-Ag/Bi的低温无铅钎料。采用材料相图与热力学模拟软件JMatPro中的锡合金模块对低温钎料组分进行模拟计算,获得不同组分的无铅钎料的相组成、热物性能和力学性能。同时,研究温度和合金含量对熔点、熔化区间、热物性能和力学性能的影响规律。模拟结果表明,Sn-In-Ag和Sn-In-Ag-Bi系两类低温无铅钎料的优化组分分别为Sn75Ag3In22和Sn75In17Ag3Bi5。

关键词： Sn-In 无铅钎料 JMatPro 相图热物性能

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无铅钎料/Cu焊盘接头的界面反应

焊接学报 2005年第6期26卷 9-12页

作者：王丽风孙凤莲梁英姜志忠哈尔滨理工大学

研究了无铅钎料Sn-3.8Ag-0.5Cu与Cu焊盘接头Cu-Sn界面金属间化合物的形成与长大机理。采用CALPHAD方法利用ThermoCalc软件进行了Sn-3.8Ag-0.5Cu/Cu合金体系亚稳相图计算,比较了界面处局部平衡时各相形成驱动力大小,预测了体系界面反应... 详细信息

研究了无铅钎料Sn-3.8Ag-0.5Cu与Cu焊盘接头Cu-Sn界面金属间化合物的形成与长大机理。采用CALPHAD方法利用ThermoCalc软件进行了Sn-3.8Ag-0.5Cu/Cu合金体系亚稳相图计算,比较了界面处局部平衡时各相形成驱动力大小,预测了体系界面反应过程中的金属间化合物形成类型和反应通道;预测结果表明,界面金属间化合物有Cu6Sn5、Cu3Sn,第一析出相为Cu6Sn5;通过SEM和EDX分析,验证了预测的准确性。根据金属学固液界面的扩散与溶解规律,分析了界面金属间化合物的形成和长大特点。

关键词：金属间化合物无铅钎料界面反应热力学计算

微量元素Ni/In对Sn-0.7Cu无铅钎料腐蚀行为的影响及其作用机理

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微量元素Ni/In对Sn-0.7Cu无铅钎料腐蚀行为的影响及其作用机理

作者：陈星光西南科技大学

学位级别：硕士

集成电路小型化的快速发展,使无铅钎料在使役过程中的组织结构演变及性能稳定性备受关注。添加合金元素改性无铅钎料,实现无铅钎料合金多元化发展成为必然。Sn-0.7Cu无铅钎料综合性能良好、成本低廉,应用前景广泛,但其使役过程中在熔化... 详细信息

集成电路小型化的快速发展,使无铅钎料在使役过程中的组织结构演变及性能稳定性备受关注。添加合金元素改性无铅钎料,实现无铅钎料合金多元化发展成为必然。Sn-0.7Cu无铅钎料综合性能良好、成本低廉,应用前景广泛,但其使役过程中在熔化温度、润湿性及稳定性等方面仍存在问题。钎料合金的腐蚀行为是反映其使役性能的重要组成部分。因此,研究添加合金元素对Sn-0.7Cu无铅钎料合金的组织结构及性能的影响,揭示其腐蚀机理具有重要的意义。本论文研究了微量元素Ni和In添加对Sn-0.7Cu无铅钎料合金显微组织、熔化特性、显微硬度、润湿性能和腐蚀行为的影响,深入探讨了合金元素对Sn-0.7Cu无铅钎料合金腐蚀行为的作用机制,阐释了元素Ni和In对Sn-0.7Cu无铅钎料合金组织结构演变和性能影响的作用规律。(1)微量元素Ni添加导致Sn-0.7Cu钎料合金中的CuSn转变为(Cu,Ni)Sn。随着Ni含量增加,(Cu,Ni)Sn金属间化合物发生明显地聚集和粗化,熔化温度变化较小,硬度显著降低。当Ni添加量为0.5wt.%时,铺展面积提高15%。Ni元素添加加剧了电化学腐蚀行为:一方面,开路电位显著升高,腐蚀电流密度显著增大,腐蚀界面阻抗减小,点蚀加剧,腐蚀产物层孔洞增多;另一方面,当Ni添加量为0.5wt.%时,开路电位显著负移。Ni添加导致Sn-0.7Cu钎料合金的化学腐蚀速率增大,腐蚀表面形貌变化显著,腐蚀表面金属间化合物堆积层变得稀疏,耐腐蚀性降低。(2)微量元素In添加有利于Sn-0.7Cu钎料合金中CuSn金属间化合物形成,并对其分布影响显著。随着In添加量增加,显微组织中大颗粒金属间化合物逐渐增多,β-Sn晶粒细化。添加微量元素In有利于降低Sn-0.7Cu钎料合金的熔化温度。当In添加量为0.5wt.%时,熔点降低2.2℃,至最低值225.1℃。当In添加量为0.5wt.%时,显微硬度提高7%,至最大值12.63HV。当In添加量为0.5wt.%时,铺展面积增大2%,润湿性提高。微量元素In添加后,电化学腐蚀加剧,腐蚀电流密度增大,腐蚀界面阻抗谱曲线形状变化,阻抗显著减小,点蚀加剧,腐蚀产物层致密性降低。在化学腐蚀中,In添加导致化学腐蚀速率增大,耐腐蚀性降低。当In添加量为0.15wt.%时,腐蚀速率较低,腐蚀形貌均匀,耐腐蚀性相对改善。当In添加量为0.5wt.%时,腐蚀速率亦较低,发生晶间腐蚀。(3)微量元素Ni/In共掺对Sn-0.7Cu钎料合金中(Cu,Ni)Sn相形成具有促进作用。随着Ni/In添加量增大,显微组织变化明显。当Ni/In添加量均为0.15wt.%时,显微组织中金属间化合物颗粒显著粗化,几乎不存在细小金属间化合物颗粒。当Ni/In添加量均大于0.15wt.%时,钎料合金中再次出现细小金属间化合物颗粒,同时存在大颗粒金属间化合物。Ni/In共掺对Sn-0.7Cu钎料合金熔化特性影响较小,使其显微硬度降低,Sn-0.7Cu-0.15Ni-0.15In钎料合金的显微硬度值最低,为8.9HV。当Ni/In添加量均为0.1wt.%时,铺展面增大6%,润湿性提高。Ni/In共掺导致Sn-0.7Cu钎料合金耐腐蚀性降低,主要表现为使其腐蚀界面阻抗谱曲线形状显著变化,阻抗明显减小、点蚀加剧、腐蚀产物层孔洞增多、化学腐蚀速率增大等。当Ni/In添加量均为0.15wt.%时,腐蚀速率较低,晶间腐蚀发生。当Ni/In添加量均为0.2wt.%时,腐蚀速率亦较低,腐蚀形貌较均匀,耐腐蚀性相对改善。

关键词： Sn-0.7Cu合金无铅钎料 Ni元素 In元素结构与性能腐蚀行为

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无铅钎料的超电势问题研究

焊接学报 1999年第3期20卷 175-180页

作者：薛松柏赵振清钱乙余赵志成王金玉丁克俭哈尔滨焊接研究所哈尔滨工业大学无锡群力有色金属材料厂厂

通过对几种典型无铅钎料的电化学性能的研究，提出了无铅钎料研究开发及应用时应考虑因其超电势变化带来的影响问题。试验证明，含铋元素无铅钎料较传统的锡铅钎料超电势低，含铟无素无铅钎料则较锡铅钎料有较高的超电势，并证明这是... 详细信息

通过对几种典型无铅钎料的电化学性能的研究，提出了无铅钎料研究开发及应用时应考虑因其超电势变化带来的影响问题。试验证明，含铋元素无铅钎料较传统的锡铅钎料超电势低，含铟无素无铅钎料则较锡铅钎料有较高的超电势，并证明这是由于合金中形成了ＩｎＳｎ４化合物的缘故，从而认为含铋无铅钎料应谨慎地使用于电器元件的焊接生产中，而含铟无铅钎料则较锡铅钎料具有更高的电化学安全性，在电器元件的焊接生产中具有良好的应用前景。

关键词：超电势无铅钎料焊接钎焊

Bi含量对Sn-1.0Ag-0.5Cu基无铅钎料力学性能的影响研究

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Bi含量对Sn-1.0Ag-0.5Cu基无铅钎料力学性能的影响研究

作者：杨蔚然江苏科技大学

学位级别：硕士

随着电子工业向小型化、高密度化以及无铅化方向发展，对新型无铅钎料的力学性能提出了更高的要求。Sn-1.0Ag-0.5Cu 低银无铅钎料(SAC105)具有较低的 Ag 含量和良好的性能使其具备广泛的应用前景。但由于较低的 Ag 含量使 SAC105钎料合... 详细信息

随着电子工业向小型化、高密度化以及无铅化方向发展，对新型无铅钎料的力学性能提出了更高的要求。Sn-1.0Ag-0.5Cu 低银无铅钎料(SAC105)具有较低的 Ag 含量和良好的性能使其具备广泛的应用前景。但由于较低的 Ag 含量使 SAC105钎料合金的力学性能不佳，因此提升SAC105钎料合金的力学性能是推动其获得广泛应用的重要前提。　　本文首先研究了不同 Bi 元素添加量对 SAC105 钎料合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明，合金元素Bi的添加使SAC105钎料晶粒细化。SAC105钎料合金的抗拉强度和应变速率敏感度随着Bi元素添加量的增加而提升，但是Bi元素的添加提升了钎料组织的脆性，使钎料合金的断后延伸率下降。随着Bi元素添加量的提升，钎料合金在拉伸断裂模式从韧性断裂向脆性断裂转变。　　其次，本文重点研究了Bi元素的添加对SAC105对接焊点弯曲行为的影响。结果表明，随着 Bi 元素添加量的提升，SAC105 焊点的极限弯曲载荷随着 Bi 元素添加量的提升呈现先上升后下降的趋势，SAC105-3Bi 焊点具有最高的极限弯曲载荷。Bi 元素添加量在3wt.%以下时，焊点的断裂过程受焊点钎料基体控制;Bi元素添加量为5wt.%时，焊点的弯曲加载速率敏感度小于零，其断裂过程受界面金属化合物层控制。焊点内部受压应力区域产生的挤压裂纹可能成为弯曲裂纹的扩展路径。焊点内析出Bi相的分布情况影响弯曲裂纹的扩展，由于Bi颗粒的力学性能和晶格常数与Sn基体和界面Cu6Sn5层之间存在较大差异，使钎料内部以及界面处析出的Bi颗粒在弯曲过程中产生应力集中，提高焊点脆性。　　最后，本文研究了 Bi 元素的添加对钎料蠕变性能的影响。Bi 元素的添加提升了SAC105钎料合金的蠕变寿命，SAC105钎料合金的稳态蠕变速率随着Bi元素添加量的增加而降低。通过对蠕变激活能Q和蠕变应力指数n的统计可知，随着Bi元素添加量的提升，SAC105 钎料的蠕变变形机制可能从晶界扩散和位错攀移共同作用向位错攀移变形机制转变。当Bi元素添加量达到5wt.%时，由于Bi元素的固溶强化作用和析出Bi相的第二相强化作用阻碍位错运动，使SAC105-5Bi钎料合金的蠕变变形机制从位错攀移向晶界滑动转变。

关键词：无铅钎料铋含量力学性能脆性断裂

Sn-8Zn-3Bi-P无铅钎料微观组织及性能

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东南大学学报（自然科学版） 2006年第5期36卷 831-835页

作者：付小琴周健孙扬善薛烽东南大学材料科学与工程学院南京210096

研究了Sn-8Zn-3B i-xP钎料的抗氧化性、熔点、组织及力学性能.热重分析表明:P元素的加入显著降低了钎料熔体表面的氧化量;采用俄歇能谱分析氧化层的成分和厚度,发现含P的钎料表面形成的ZnO层厚度明显降低,约为80 nm;对合金进行差热分析... 详细信息

研究了Sn-8Zn-3B i-xP钎料的抗氧化性、熔点、组织及力学性能.热重分析表明:P元素的加入显著降低了钎料熔体表面的氧化量;采用俄歇能谱分析氧化层的成分和厚度,发现含P的钎料表面形成的ZnO层厚度明显降低,约为80 nm;对合金进行差热分析发现少量P的加入并不改变钎料的熔点和熔程;P的加入对钎料合金的强度几乎没有影响,但却降低了合金的塑性,这是因为含P合金中有粗大的富Zn相形成,断口分析显示在Zn相与Sn相晶界上容易出现裂纹,从而导致钎料的塑性下降.

关键词：无铅钎料磷抗氧化性能力学性能

Sn-Zn-Cu无铅钎料的组织、润湿性和力学性能

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中国有色金属学报 2004年第10期14卷 1694-1699页

作者：谢海平于大全马海涛王来大连理工大学材料工程系大连116024

研究了(Sn 9Zn) xCu无铅钎料的微观组织、润湿性能和力学性能。Cu的加入使得Sn 9Zn钎料中针状富Zn相逐渐转变为Cu Zn化合物,当Cu含量为8%时,Cu6Sn5相生成。Sn Zn Cu合金熔点随着Cu含量增加而升高,同时润湿性随Cu的加入得到显著改善。使... 详细信息

研究了(Sn 9Zn) xCu无铅钎料的微观组织、润湿性能和力学性能。Cu的加入使得Sn 9Zn钎料中针状富Zn相逐渐转变为Cu Zn化合物,当Cu含量为8%时,Cu6Sn5相生成。Sn Zn Cu合金熔点随着Cu含量增加而升高,同时润湿性随Cu的加入得到显著改善。使用中性活性松香钎剂,钎料与Cu箔钎焊时的润湿角显著减小。Sn 9Zn的润湿角为120°,而(Sn 9Zn) 10Cu的润湿角为54°。这是由于Cu的加入降低了Zn的活性,减少了Zn在钎料表面氧化,降低了液态钎料表面张力,使得钎料能获得较好的润湿性。合金在2%Cu时获得较高的强度,随着Cu含量的增加,Cu Zn化合物相对增多,抗拉强度有所下降;而合金的塑性随着Cu的加入迅速下降。

关键词：无铅钎料 Sn—Zn—Cu 微观组织润湿性抗拉强度

Sn-3.8Ag-0.7Cu-1.0Er无铅钎料中Sn晶须变截面生长现象

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金属学报 2009年第2期45卷 199-203页

作者：郝虎史耀武夏志东雷永平郭福李晓延北京工业大学材料科学与工程学院先进材料加工技术研究所北京100124

在Sn-3.8Ag-0.7Cu无铅钎料中添加质量分数为1%的稀土Er会在其内部形成尺寸较大的稀土相ErSn_3.暴露于空气中ErSn_3将发生氧化,同时在其表面会出现Sn晶须的快速生长现象.室温时效条件下,在氧化的ErSn_3表面会生长出少量的杆状Sn晶须,Sn... 详细信息

在Sn-3.8Ag-0.7Cu无铅钎料中添加质量分数为1%的稀土Er会在其内部形成尺寸较大的稀土相ErSn_3.暴露于空气中ErSn_3将发生氧化,同时在其表面会出现Sn晶须的快速生长现象.室温时效条件下,在氧化的ErSn_3表面会生长出少量的杆状Sn晶须,Sn晶须的截面尺寸会发生连续变化;高温时效条件下,在氧化的ErSn_3表面会生长出大量的针状Sn晶须,Sn晶须的截面尺寸会发生阶梯式变化.提出了ErSn_3氧化过程中体积应变能是一个变量的模型,可以解释观察到的现象.

关键词：无铅钎料稀土 Sn晶须变截面