Sn-ZnCu焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度與界面顯微組織分析 畢業(yè)論文

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 - PAGE II - PAGE IV -核準(zhǔn)通過(guò)，歸檔資料。未經(jīng)允許，請(qǐng)勿外傳！9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R#Sn-9Zn;尺寸效應(yīng);剪切強(qiáng)度Shear strength and interface microstructure analysis of Sn-Zn/Cu solder jointsAbstractBecause of lead materials is harmful to human body

2、 and the environment, the connection materials which is used for electronic packaging has become a necessity as the development. At the point of melting point, toxicity, resources and price, Sn-Zn lead-free solder is the best choice. At present time, the research for Sn-Zn lead-free solder has made

3、much progress in wettability stain resistance and bad fatigability. Sn-Zn solder which comparied with other series of solders is still the most promising.Now the research for Sn-Zn solder in shear performance and microstructure is relatively less. So in this paper the object of the research is the S

4、n-9Zn solder and Cu substrate welding structure, using cutting machine, scanning electron microcopy and metallographic microscope to study Sn-9Zn/Cu brazed joint (the diameter of the soldered ball is 750m、1000m、1300m),including the shear strength and interface microscopic structure, the conclusions

5、are as follows:with the increase of the diameter of solder ball, the increase trend of shear strength of Sn-9Zn/Cu brazed joint represent V, that is the tends to decrease firstly and then increase. At the same time, the observation and analysis of the pattern of fracture, the conclusion is as follow

6、s: with the increase of the diameter of solder ball, the dimple which is close and deep becomes thin and light.with the increase of the diameter of solder ball, the thickness of the IMC increase, but when the diameter is 1000m, the trend of increase slows down. For different sizes of solder joint, t

7、he ingredients of the interface microstructure is the same. The component of the microstructure is Cu- Zn compounds、 Cu5Zn8 compounds and Sn- rich phase. With the distance increase, it appears one by one：Cu-Zn Cu5Zn8 compounds, Sn- rich phase, and the phase exits together.Key words lead-free solder；

8、Sn-9Zn; size effect; shear strengthPAGE II- - PAGE VI -目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc296577008 第1章 緒論 PAGEREF _Toc296577008 h 1 HYPERLINK l _Toc296577009 1.1 無(wú)鉛焊料發(fā)展的必然性 PAGEREF _Toc296577009 h 1 HYPERLINK l _Toc296577010 1.2 無(wú)鉛釬料性能及要求 PAGEREF _Toc296577010

9、 h 1 HYPERLINK l _Toc296577011 1.3 Sn-Zn系無(wú)鉛焊料研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc296577011 h 2 HYPERLINK l _Toc296577012 1.4 電子封裝中尺寸效應(yīng)及剪切性能的研究 PAGEREF _Toc296577012 h 5 HYPERLINK l _Toc296577013 1.4.1 對(duì)于尺寸效應(yīng)的研究 PAGEREF _Toc296577013 h 5 HYPERLINK l _Toc296577014 1.4.2 對(duì)于焊點(diǎn)剪切性能的研究 PAGEREF _Toc296577014 h 5 HYPERLINK l

10、_Toc296577015 1.5 本文研究思路和內(nèi)容 PAGEREF _Toc296577015 h 6 HYPERLINK l _Toc296577016 1.5.1 本文研究的目的及意義 PAGEREF _Toc296577016 h 6 HYPERLINK l _Toc296577017 1.5.2 本課題主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc296577017 h 6 HYPERLINK l _Toc296577018 第2章 Sn-Zn合金的制備及釬焊試驗(yàn) PAGEREF _Toc296577018 h 7 HYPERLINK l _Toc296577019 2.1 熔煉前的準(zhǔn)備 PA

11、GEREF _Toc296577019 h 7 HYPERLINK l _Toc296577020 2.1.1 合金原料的準(zhǔn)備 PAGEREF _Toc296577020 h 7 HYPERLINK l _Toc296577021 2.2 熔煉釬料合金 PAGEREF _Toc296577021 h 7 HYPERLINK l _Toc296577022 2.2.1 釬料合金熔煉方法 PAGEREF _Toc296577022 h 7 HYPERLINK l _Toc296577023 2.2.2 釬料合金的熔煉過(guò)程 PAGEREF _Toc296577023 h 8 HYPERLINK l

12、_Toc296577024 2.3 熔球 PAGEREF _Toc296577024 h 9 HYPERLINK l _Toc296577025 2.4 釬焊試驗(yàn) PAGEREF _Toc296577025 h 9 HYPERLINK l _Toc296577026 2.4.1 釬焊工件表面清理 PAGEREF _Toc296577026 h 9 HYPERLINK l _Toc296577027 2.4.2 釬焊 PAGEREF _Toc296577027 h 10 HYPERLINK l _Toc296577028 2.4.3 釬焊后處理 PAGEREF _Toc296577028 h 1

13、1 HYPERLINK l _Toc296577029 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc296577029 h 12 HYPERLINK l _Toc296577030 第3章 剪切強(qiáng)度分析 PAGEREF _Toc296577030 h 13 HYPERLINK l _Toc296577031 3.1 剪切試驗(yàn) PAGEREF _Toc296577031 h 13 HYPERLINK l _Toc296577032 3.1.1 剪切測(cè)量方法 PAGEREF _Toc296577032 h 13 HYPERLINK l _Toc296577033 3.1.2 剪切測(cè)量原理 PAGER

14、EF _Toc296577033 h 13 HYPERLINK l _Toc296577034 3.2 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析 PAGEREF _Toc296577034 h 14 HYPERLINK l _Toc296577035 3.2.1 數(shù)據(jù)處理 PAGEREF _Toc296577035 h 14 HYPERLINK l _Toc296577036 3.2.2 結(jié)果分析 PAGEREF _Toc296577036 h 15 HYPERLINK l _Toc296577037 3.2.3 剪切斷口形貌分析 PAGEREF _Toc296577037 h 15 HYPERLINK l

15、 _Toc296577038 3.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc296577038 h 17 HYPERLINK l _Toc296577039 第4章 Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織分析 PAGEREF _Toc296577039 h 18 HYPERLINK l _Toc296577040 4.1 儀器介紹 PAGEREF _Toc296577040 h 18 HYPERLINK l _Toc296577041 4.1.1 金相顯微鏡（OM）簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc296577041 h 18 HYPERLINK l _Toc296577042 4.1.2 掃描電鏡（SE

16、M）簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc296577042 h 18 HYPERLINK l _Toc296577043 4.2 Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織分析 PAGEREF _Toc296577043 h 19 HYPERLINK l _Toc296577044 4.2.1 金相顯微鏡結(jié)果分析 PAGEREF _Toc296577044 h 19 HYPERLINK l _Toc296577045 4.2.2 掃描電鏡結(jié)果分析 PAGEREF _Toc296577045 h 21 HYPERLINK l _Toc296577046 4.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc2965770

17、46 h 25 HYPERLINK l _Toc296577047 結(jié)論 PAGEREF _Toc296577047 h 26 HYPERLINK l _Toc296577048 致謝 PAGEREF _Toc296577048 h 27 HYPERLINK l _Toc296577049 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc296577049 h 28 HYPERLINK l _Toc296577050 附錄A PAGEREF _Toc296577050 h 30 HYPERLINK l _Toc296577051 附錄B PAGEREF _Toc296577051 h 37- PAGE 10

18、 - PAGE 54 -緒論無(wú)鉛焊料發(fā)展的必然性傳統(tǒng)焊接使用Sn-Pb焊料，其中Sn和Pb的質(zhì)量百分含量分別為63%和37%，共晶溫度是183，過(guò)去一直在電子部件裝配中占主導(dǎo)地位。當(dāng)今社會(huì)電子產(chǎn)品更新速度快，微電子產(chǎn)品正向微型化和高性能方向發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積在逐漸變小，而要承受的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)負(fù)荷卻在加重，對(duì)產(chǎn)品可靠性的要求越來(lái)越高。眾所周知鉛及含鉛化合物都是有毒物質(zhì)，電子產(chǎn)品被廢棄后，處理不好，其中的Pb最終會(huì)析出進(jìn)入到環(huán)境中，從而對(duì)人類生存環(huán)境造成污染，并對(duì)生命健康構(gòu)成威脅。鉛對(duì)嬰幼兒的危害非常大，嚴(yán)重影響其智力和身體正常發(fā)育，會(huì)造成代謝和神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，因鉛中毒致死、致殘(智能和行為)

19、、致胎兒畸變和智能低下等現(xiàn)象頻頻發(fā)生1-5。因此，為了保護(hù)環(huán)境和人類自身，含鉛物質(zhì)污染問(wèn)題已經(jīng)受到人們的高度重視，并通過(guò)建立立法來(lái)限制使用鉛6,7。90年代后期各發(fā)達(dá)國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列的政策和法規(guī)，限制和禁止含Pb產(chǎn)品的使用。如歐盟將從2006年7月1日起強(qiáng)制實(shí)施在微電子組裝工業(yè)中禁止使用Pb等有害物質(zhì)的法規(guī)；美國(guó)國(guó)會(huì)早在1986年就通過(guò)了在供水與食品相關(guān)的場(chǎng)合限制使用含Pb焊料的法規(guī)，自1990年起，美國(guó)國(guó)會(huì)已多次討論全面禁止使用含Pb焊料的立法問(wèn)題，1991年，里德法律S3.91提議：限制使用含Pb焊接材料，禁止使用含Pb量高的原料，并限定Pb的含量0.1%. 1993年此提議出臺(tái)試行后

20、美國(guó)制造業(yè)界反應(yīng)激烈并百般阻撓，導(dǎo)致這項(xiàng)提議擱淺，但這也只使美國(guó)的無(wú)鉛化制程的實(shí)施推遲到2008年；1998年，日本政府宣布環(huán)保再生的相關(guān)法律，同時(shí)日本主要電子設(shè)備廠商自發(fā)組織并宣告在2001-2002年減少使用含Pb材料。目前日本的一些國(guó)際知名企業(yè)如松下電器和日立已研究和開(kāi)發(fā)出了商用無(wú)鉛焊料；我國(guó)則在2003年將無(wú)鉛電子焊料列入了國(guó)家863高科技發(fā)展計(jì)劃。由于這些立法和競(jìng)爭(zhēng)等因素的共同影響，世界各國(guó)包括我國(guó)用無(wú)鉛焊料大規(guī)模取代含Pb焊料將為期不遠(yuǎn)。無(wú)鉛釬料性能及要求微電子封裝中的釬料合金應(yīng)具有嚴(yán)格的性能要求。一般來(lái)講，合金必須滿足電氣性、力學(xué)性能和的熔點(diǎn)要求。作為Sn-37Pb釬料的替代品，

21、電子封裝中的無(wú)鉛釬料主要性能指標(biāo)包括:物理性能，如熔點(diǎn)、可焊性、勃度、密度及熱和電性能、抗腐蝕抗氧化性、表面張力、可再修復(fù)性、成本等。具體來(lái)說(shuō)，新開(kāi)發(fā)的無(wú)鉛釬料應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求：1.環(huán)境友好性。不含有毒有害性的元素，如鉛、鉑、鍋等，不會(huì)對(duì)人體健康和環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。2.適宜的熔點(diǎn)。釬焊材料的熔點(diǎn)應(yīng)接近Sn-37Pb共晶釬料的熔點(diǎn)(183)，熔化溫度間間越小約好，能與現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝能夠兼用，并且能夠與現(xiàn)有的助焊劑相匹配。3.良好的潤(rùn)濕性。對(duì)于基板材料或金屬涂層Cu、Ni、Au、Ag等應(yīng)具有良好的潤(rùn)濕性能，潤(rùn)濕性應(yīng)不低于或等同于錫鉛釬料(15)。因?yàn)樵陔娮恿慵贤谐砂偕锨€(gè)

22、釬焊接頭，如果某一個(gè)釬焊焊點(diǎn)因潤(rùn)濕性差而導(dǎo)致出現(xiàn)虛焊，整個(gè)零件將變?yōu)閺U品。其物理性能如電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱膨脹數(shù)等也應(yīng)與錫鉛釬料性能相當(dāng)。4.良好的力學(xué)性能。釬焊接頭的力學(xué)性能如剪切強(qiáng)度、蠕變抗力、金屬學(xué)組織的穩(wěn)定性等都應(yīng)等同或不低于錫鉛釬料，特別是應(yīng)具有較好的抗疲勞性能。5.合理的價(jià)格和充足的原料供應(yīng)。新型無(wú)鉛釬料的成本價(jià)格應(yīng)低于20美元/Kg，因此其中In的含量應(yīng)小于1wt。%，Bi含量應(yīng)小于20wt.%，表1.1為無(wú)鉛釬料用金屬相對(duì)Pb的市場(chǎng)相對(duì)價(jià)格。 表1-1無(wú)鉛釬料中合金元素的市場(chǎng)相對(duì)價(jià)格元素PbZnSbCuSnBiInAg相對(duì)價(jià)格1.32.22.56.47.11942126.循環(huán)利用

23、性能。在滿足使用要求的前提下，合金組元數(shù)越少越好，如果釬料合金中包含3種以上金屬元素時(shí)，將使再循環(huán)工藝復(fù)雜化，增加成本。7.良好的加工性能。易于加工成絲、板、膏等形式，以滿足不同場(chǎng)合的需求。Sn-Zn系無(wú)鉛焊料研究現(xiàn)狀圖1-1是由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的Sn-Zn相圖。該體系為一個(gè)典型的簡(jiǎn)單二元共晶系，其中兩個(gè)端際固溶體的固溶度都極低，共晶點(diǎn)成份/溫度為9 wt% Zn / 198C。圖1-1 Sn-Zn二元合金相圖已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，Sn-9Zn在Cu基上的潤(rùn)濕性能比純Sn和Sn-Pb都差15，而且也在Sn-Ag-Cu系合金的潤(rùn)濕性之下。普遍認(rèn)為Zn的易氧化是導(dǎo)致Sn-Zn合金在Cu基上的潤(rùn)濕性差的一個(gè)重要原因由于

24、Sn-Zn共晶合金的熔點(diǎn)與Sn-Pb共晶的熔點(diǎn)最為接近，可以在基本不改變現(xiàn)有的焊接設(shè)備和工藝的情況下進(jìn)行釬焊，所以Sn-Zn系無(wú)鉛焊料受到了人們重視。同時(shí)該系合金還具有高抗拉強(qiáng)度、高剪切強(qiáng)度、高蠕變抗力和熱疲勞性能，以及良好的接頭強(qiáng)度，而且成本較低，儲(chǔ)量豐富；另外Zn還是環(huán)境友好型元素，無(wú)毒副作用。然而由于鋅的活性大，使得該焊料的潤(rùn)濕性和耐腐蝕性很差，從而限制了該合金系焊料的廣泛應(yīng)用。Sn-Zn焊料的潤(rùn)濕性差主要有兩方面原因即該合金的液態(tài)表面張力大和鋅的強(qiáng)氧化性8。對(duì)于Sn-Zn的潤(rùn)濕性的問(wèn)題，有研究表明：Sn-9Zn合金對(duì)銅的潤(rùn)濕性可由微合金化來(lái)改善：添加Bi1%(質(zhì)量)、混合輕稀土RE和一

25、種富P的非金屬活性組元(簡(jiǎn)稱NM)(注)都分別能使其有明顯改善；以鋪展面積衡量，該研究通過(guò)微合金化所達(dá)到的最佳改性效果使Sn-9Zn合金對(duì)銅的潤(rùn)濕性由Sn-37Pb焊料潤(rùn)濕性水平的45.4%提高到了70.3%9。Sn-Zn的亞共晶合金Sn-6.5Zn在保證熔點(diǎn)與Sn-9Zn共晶合金相差不大的情況下?lián)碛懈玫臐?rùn)濕性能。圖1為各Sn-Zn亞共晶和Sn-Zn共晶的潤(rùn)濕力的測(cè)量數(shù)據(jù)。導(dǎo)致在Sn-6.5Zn處出現(xiàn)一個(gè)峰值的原因可能是兩方面共同作用的綜合結(jié)果。其一，由于Zn含量的增加而使過(guò)熱度增加，這是有利于潤(rùn)濕的；另一方面,Zn的增加使得合金的液態(tài)表面張力增加以及鋅的強(qiáng)氧化性，都是對(duì)潤(rùn)濕性極其有害的因素

26、10。Sn-Zn共晶釬料的腐蝕行為進(jìn)行的研究指出，Sn-Zn共晶釬料的腐蝕為全面腐蝕與局部腐蝕(點(diǎn)蝕)的結(jié)合型腐蝕,腐蝕速度較快。并且通過(guò)向Sn-Zn共晶釬料中加入微量的稀土元素制得Sn-Zn-RE釬料，經(jīng)研究分析表明：稀土的介入使得Sn-Zn共晶焊料的耐腐蝕性得到提高，這是因?yàn)镾n-Zn-RE中的稀土元素可有效提高Sn-Zn系合金組織及腐蝕產(chǎn)物的致密性，從而提高其耐蝕性,大大降低Sn-Zn合金的腐蝕速度11。另外，RE元素對(duì)Sn-Zn共晶焊料的潤(rùn)濕性也有提高作用12。稀土中Ga元素添加使焊料的熔點(diǎn)降低,熔程增大。且會(huì)降低焊料的硬度和剪切強(qiáng)度，但使焊料的鋪展面積增大，浸潤(rùn)角減小，從而提高了焊料

27、的可焊性13。所以稀土元素能同時(shí)提高Sn-Zn共晶焊料的潤(rùn)濕能力和抗腐蝕性能。這對(duì)Sn-Zn合金焊料的應(yīng)用具有重大的意義。往Sn-Zn合金焊料中添加其它元素如Bi、Ag、Cu、In等的Sn-Zn系焊料也有廣泛的研究。對(duì)Sn-Zn-In系焊料進(jìn)行的研究表明:In對(duì)Sn-Zn-In系焊料熔化溫度的影響明顯，而Zn對(duì)其影響次之，可以使其熔化溫度范圍在170-200間；Sn-Zn-In系焊料的微觀組織由3相組成，其中富錫相呈現(xiàn)細(xì)針狀分布于-Sn基體相中，同時(shí)基體上還有富In相，為InSn4金屬化合物；Sn-Zn-In系焊料與銅焊合后的界面主要由Cu基體、-Cu5Zn8和焊料3部分組成，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Cu6S

28、n5相或Cu3Sn相；Sn-Zn-In系焊料的剪切強(qiáng)度與傳統(tǒng)錫鉛焊料的相當(dāng)，隨著鋅含量的增加而增大,當(dāng)鋅含量超過(guò)9%后，剪切強(qiáng)度的增高趨于平緩14。從界面反應(yīng)和界面張力的角度對(duì)Sn-Zn-Bi焊料潤(rùn)濕性的研究發(fā)現(xiàn):隨Bi含量的提高，焊料的潤(rùn)濕力提高，潤(rùn)濕時(shí)間縮短。這是因?yàn)锽i雖然不參與焊料/Cu界面的擴(kuò)散反應(yīng)，但卻降低了焊料/Cu界面的界面張力。Nd也有類似的效果,也是提高Sn-Zn焊料潤(rùn)濕性能的有效元素15。圖1-2 260下Sn-Zn合金在銅基板上的潤(rùn)濕力的測(cè)試實(shí)驗(yàn)(虛線為每種合金的過(guò)熱度)電子封裝中尺寸效應(yīng)及剪切性能的研究對(duì)于尺寸效應(yīng)的研究20世紀(jì)80年代以后,由于納米材料、微電子機(jī)械系

29、統(tǒng)(MEMS)、生物芯片等技術(shù)的誕生和深入發(fā)展,人類對(duì)介于宏觀和微觀之間領(lǐng)域的物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)迅速豐富起來(lái)。形成了微流體力學(xué)、納米材料科學(xué)、微斷裂力學(xué)、微尺度傳熱學(xué)以及納米電子學(xué)等一系列嶄新的科學(xué)體系。這些學(xué)科的共同特點(diǎn)是其研究對(duì)象都表現(xiàn)出微細(xì)尺度下的一些“超常”現(xiàn)象，都是以“微尺度效應(yīng)”為出發(fā)點(diǎn)的。雖然許多現(xiàn)象還需要長(zhǎng)期深入的研究探索,但已經(jīng)展現(xiàn)出良好的理論發(fā)展前景和開(kāi)發(fā)高新技術(shù)產(chǎn)品的巨大潛力,引起了廣泛的關(guān)注和極大的研究熱情。有研究者指出，材料性能主要取決于特征長(zhǎng)度和尺寸參數(shù)（組織微結(jié)構(gòu)）兩個(gè)因素。有研究表明16，由于存在尺寸效應(yīng)，當(dāng)電子元器件中互連焊點(diǎn)的體積小于10-12m3（大致與直徑和

30、長(zhǎng)度均為110m的焊點(diǎn)相當(dāng)）時(shí)，通過(guò)體釬料獲取的相應(yīng)數(shù)據(jù)應(yīng)用于微互連焊點(diǎn)時(shí)將不在可靠。Sn-Ag-Cu體釬料和微焊點(diǎn)的納米壓痕實(shí)驗(yàn)證明了兩者力學(xué)性能明顯不同17。還有一些研究18-22從釬焊冶金反映過(guò)程中釬料體積大小和時(shí)效時(shí)間長(zhǎng)短等方面研究了Sn-Pb和Sn-Ag-Cu釬料與Cu，Ni等不同基板材料的界面反應(yīng)及其導(dǎo)致的一些尺寸效應(yīng)此外, Sn-Ag-Cu釬料合金蠕變實(shí)驗(yàn)表明, 尺寸效應(yīng)比較復(fù)雜，不同試樣得到的應(yīng)力指數(shù)也不相同。隨著目前全球范圍內(nèi)無(wú)鉛化電子封裝進(jìn)程的加快，對(duì)無(wú)鉛釬料，例如替代傳統(tǒng)Sn-Pb釬料的主流無(wú)鉛Sn-Ag-Cu系釬料及其微互連焊點(diǎn)力學(xué)行為的研究也越來(lái)越迫切。對(duì)于焊點(diǎn)剪切性

31、能的研究隨著封裝尺寸和節(jié)距的不斷減小，在各種應(yīng)用過(guò)程中可能在焊點(diǎn)中反復(fù)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變。電子設(shè)備很容易被跌落，因跌落引起的應(yīng)力產(chǎn)生的可靠性問(wèn)題對(duì)電子設(shè)備內(nèi)部貼裝的球柵陣列印刷電路板組裝來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。有報(bào)道稱，保證產(chǎn)品在機(jī)械應(yīng)力下的可靠性比保證其在熱應(yīng)力下的可靠性更加重要。因此，微焊點(diǎn)力學(xué)性能備受國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。王波23研究了回流過(guò)程中不同焊點(diǎn)互連高度對(duì)焊料層微觀組織、界面金屬間化合物厚度和比例以及焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響。尹立孟和張新平24研究了當(dāng)Cu/Sn-3Ag-0.5Cu/Cu焊點(diǎn)互連高度恒定而焊點(diǎn)直徑從475減小至200時(shí)，微焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度和斷裂模式。薛松柏等25人采用微焊點(diǎn)強(qiáng)度測(cè)試

32、儀研究了Sn-Pb共晶釬料BGA封裝器件焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度,并對(duì)不同直徑的BGA球焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了比較。本文研究思路和內(nèi)容本文研究的目的及意義Sn-Zn系釬料具有較好的綜合性能，是一種有潛力的低熔點(diǎn)、低成本釬料。但是實(shí)施無(wú)鉛化和開(kāi)發(fā)Sn-Zn系釬料需要解決一系列的可靠性問(wèn)題。焊點(diǎn)失效、界面缺陷等問(wèn)題均有待解決。就目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于Sn-Zn釬料的研究已經(jīng)有了一定量得成果，但是對(duì)于Sn-Zn焊料與Cu焊盤焊接后的焊點(diǎn)的尺寸效應(yīng)與剪切性能相對(duì)較少。因此本文中采用Sn-9Zn焊料作為研究對(duì)象，對(duì)不同尺寸的Sn-9Zn/Cu焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度及界面顯微組織進(jìn)行分析研究，以期得到尺寸效應(yīng)對(duì)Sn-9Zn/Cu焊點(diǎn)

33、的剪切強(qiáng)度及界面顯微組織的影響。本課題主要內(nèi)容1.研究Sn-9Zn/Cu接頭的剪切強(qiáng)度隨BGA球徑的變化規(guī)律。2.研究尺寸效應(yīng)對(duì)Sn-9Zn/Cu接頭的剪切斷口形貌的影響。3.研究尺寸效應(yīng)對(duì)Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織的影響。Sn-Zn合金的制備及釬焊試驗(yàn)熔煉前的準(zhǔn)備合金原料的準(zhǔn)備熔煉合金的原料純度和形狀影響熔煉時(shí)間和合金的成分精度，如導(dǎo)電性差，在空氣中易于氧化的合金元素使用粉末狀導(dǎo)致熔煉時(shí)間長(zhǎng)，浪費(fèi)能源，應(yīng)盡可能選擇粒狀。本論文所采用原材料的純度、形狀等特征如表2-1所示。表2-1 熔煉合金的原材料合金元素化學(xué)符號(hào)原子量熔點(diǎn)純度%形狀錫Sn118.69231.999.9顆粒鋅Zn65.

34、38419.599.99顆粒熔煉釬料合金釬料合金熔煉方法合金熔煉的目的是要獲得符合一定成分要求的合金，為了防止氧化，吸附溶解金屬熔體中的氧化夾雜及吸附其上的氫，上浮至液面進(jìn)入熔渣中達(dá)到除渣除氣。因此在冶煉過(guò)程中對(duì)覆蓋劑的要求較多，比如：熔點(diǎn)比釬料合金低，密度比釬料合金小，較小的粘度，不含對(duì)金屬液體質(zhì)量有害的雜質(zhì)及夾雜物。并且為了釬料合金均勻化，需要保持很長(zhǎng)的時(shí)間。高頻感應(yīng)加熱器熔煉合金，其原理為高頻大電流流向被繞制成環(huán)狀加熱線圈，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間變化強(qiáng)磁束，將金屬等被加熱物質(zhì)放置在線圈內(nèi)，磁束就會(huì)貫通整個(gè)被加熱物質(zhì)，在被加熱物質(zhì)內(nèi)部與加熱電流相反的方向產(chǎn)生很大的渦電流，由于被加熱物質(zhì)內(nèi)的電阻產(chǎn)

35、生焦耳熱，使物質(zhì)自身溫度迅速上升。在本論文中采用了高頻感應(yīng)加熱器作為熱源，用石英管作為熔化器皿，再通入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。此方法操作簡(jiǎn)單、熱效率高、升溫快、金屬燒損少；加熱過(guò)程中在電磁力的作用下，熔融的液態(tài)金屬能夠快速旋轉(zhuǎn)攪拌，使試樣的成分均勻。釬料合金的熔煉過(guò)程在熔煉過(guò)程中，為了能使釬料的成分更加均勻，更好地滿足設(shè)計(jì)需求，本試驗(yàn)設(shè)定了原料添加和裝料順序。具體的熔煉工藝如下：1原料裝填用電子天平將藥品逐一按各種原材料的計(jì)算重量稱量準(zhǔn)確。先將50%的Sn粒放入石英管中，然后放入Zn粒，之后再將剩下的Sn粒放入石英管中，用Sn粒將其它原料蓋住，這樣在Sn粒熔化后就能把其它原料包裹起來(lái)，有利于合金的熔

36、化和擴(kuò)散。2預(yù)通保護(hù)氣、冷卻水一般的合金冶煉都采用溶劑保護(hù)，熔煉后進(jìn)行扒渣。為確保合金成分的準(zhǔn)確性，避免熔渣帶入雜質(zhì)，本試驗(yàn)采用惰性氣體保護(hù)(所用參數(shù)為：氬氣流量q2.5L/min，氣壓P7MPa)，保護(hù)氣應(yīng)遵循提前送氣，滯后停氣的原則。由于氬氣的比重(1.782kg/m3)大于空氣(1.293kg/m3)，提前送氣能將試管中的空氣排除。在之后的加熱過(guò)程中金屬元素就不會(huì)發(fā)生氧化。然后啟動(dòng)高頻加熱機(jī)的冷卻水，使感應(yīng)銅圈在工作過(guò)程中保證不升溫過(guò)熱。3合金的熔化、擴(kuò)散啟動(dòng)高頻感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行熔煉，高頻感應(yīng)加熱器如圖2-1所示。 圖2-1 高頻感應(yīng)加熱器隨著高頻作用時(shí)間的增加，到達(dá)3分鐘時(shí)可以看到合金

37、材料得以熔化。在熔化過(guò)程中有很多黑煙冒出。4熔煉結(jié)束、獲得鑄錠結(jié)束加熱、斷電、感應(yīng)圈停水，持續(xù)通入氬氣，3分鐘后停止通氣，保證合金在氬氣保護(hù)下穩(wěn)定冷卻。再空冷到室溫，輕輕晃動(dòng)石英管，凝固的合金塊在管底松動(dòng)，輕輕倒出，即可得到熔煉鑄錠。可以看出鑄錠表面有一層黑色的氧化膜，使用時(shí)將表面鑄錠表面用砂紙打磨。熔球熔煉釬料合金完畢后，需將所制得的焊料合金熔成小球。熔球所用設(shè)備如圖2-2所示。圖2-2 大型自動(dòng)回流焊爐R340C將熔煉好的焊料切成小塊，然后在鋁板上涂抹一層焊膏，將切成塊的焊料放到銅板上，注意不要使焊料粘在一起。在大回流焊爐中，焊料會(huì)分別經(jīng)過(guò)四個(gè)區(qū)域，分別為預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、回流區(qū)及冷卻區(qū)，整

38、個(gè)過(guò)程持續(xù)8分11秒，速度（該機(jī)器是通過(guò)修改變頻器的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)傳送帶速度，每次變更頻率都可以在控制參數(shù)上顯示出運(yùn)輸?shù)目倳r(shí)間）為9.當(dāng)整個(gè)過(guò)程結(jié)束時(shí)，用鑷子將大回流焊爐中的銅板取出，冷卻后，將小球用鑷子剝下來(lái)，將試樣表面上殘留的焊膏清洗干凈。將小球放在盛有無(wú)水乙醇溶液的燒杯中，然后再用盛有去離子水的超聲波清洗機(jī)中清洗，最后吹干即可。清洗完畢后，將小球晾干，用游標(biāo)卡尺測(cè)量小球直徑，將符合條件的小球整理出來(lái)后，放入標(biāo)有尺寸的塑料小袋中。釬焊試驗(yàn)釬焊工件表面清理清潔而無(wú)氧化物的焊件表面是保證獲得優(yōu)質(zhì)釬焊接頭的必要條件。由于熔化的釬料不能潤(rùn)濕未經(jīng)清理的焊件表面，從而無(wú)法填充接頭間隙而獲得良好的釬焊接

39、頭。因此釬焊前有必要仔細(xì)的除去工件表面的氧化物、油脂、臟污及油漆。為了使PCB板得到合理的利用，將PCB板切成小塊后，使用超聲清洗機(jī)將其清洗干凈。焊球直徑與焊盤直徑如表2-2所示。為了試驗(yàn)方便，在這里我們?nèi)『盖蛑睆椒謩e為750m、1000m、1300m。表2-2 焊球與焊盤直徑焊盤面積/mm2焊盤周長(zhǎng)/mm焊盤直徑/m焊球直徑/m0.08581.00774637700.07-764.40.16251.4619879.8967.8-1055.760.25891.85431110.531221.58-1332.64釬焊本實(shí)驗(yàn)采用小型自動(dòng)回流焊爐T200+，它是單區(qū)多段式控制，共有40個(gè)溫區(qū)，可以根

40、據(jù)實(shí)際情況選擇設(shè)定每段的溫度和持續(xù)時(shí)間。通過(guò)紅外線與熱風(fēng)微對(duì)流方式加熱，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)冷卻。溫度范圍是室溫到300C，如圖2-5。其操作流程如下：溫控準(zhǔn)確度為2C。其額定功率為3.7KM，AC單相，額定電壓220V，頻率50KZ。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：1.預(yù)熱1).首先將計(jì)算機(jī)與T200+的通訊端口COM1進(jìn)行連接，然后安裝應(yīng)用軟件回流焊機(jī)的控制系統(tǒng)2).打開(kāi)軟件回流焊機(jī)控制系統(tǒng)，輸入用戶名和密碼，單擊確定，進(jìn)入主控制界面。3).選擇主控制界面的儀表設(shè)定，通過(guò)40段溫區(qū)對(duì)回流焊的四個(gè)區(qū)的時(shí)間和溫度進(jìn)行設(shè)定，點(diǎn)擊打開(kāi)串口，寫入數(shù)據(jù)，將已經(jīng)設(shè)定好的參數(shù)輸入到電腦中，選擇保存文件，單擊返回到主控制界面。4

41、).單擊聯(lián)機(jī)，開(kāi)始巡檢按鈕，此時(shí)回流焊機(jī)開(kāi)始加熱，并且將各段升溫的時(shí)間與溫度記錄下來(lái)并生成報(bào)表。直到停止巡檢時(shí)在主控制界面生成由熱電偶測(cè)得的實(shí)際溫度曲線。溫度曲線可以通過(guò)溫度曲線分析功能對(duì)曲線進(jìn)行分析，點(diǎn)擊菜單欄統(tǒng)計(jì)下的保存圖像。2.進(jìn)行試驗(yàn)取一些PCB板，將PCB板放在無(wú)水乙醇中用超聲清洗機(jī)清洗，以去除表面的氧化層和污染物，避免干擾試驗(yàn)結(jié)果。然后在焊盤上均勻的涂上一層助焊膏，將計(jì)算出尺寸的Sn-9Zn焊球放在對(duì)應(yīng)的焊盤上，仔細(xì)調(diào)整位置以使其與PCB上的Cu焊盤良好對(duì)應(yīng)。然后重復(fù)預(yù)熱階段的3)、4)兩步。3.焊接完畢后，用鑷子將已制作好的BGA焊點(diǎn)取出，冷卻后用超聲清洗機(jī)清洗表面助焊劑，并用電

42、吹風(fēng)吹干。回流焊機(jī)及所用回流曲線如圖2-3、2-4所示。 圖 2-3 回流焊機(jī) 圖2-4 回流焊曲線所有工作完畢后，關(guān)閉回流焊機(jī)，拔掉電源，釬焊接頭橫截面如圖2-5所示。圖2-5 Solders/Cu釬焊接頭橫截面示意圖釬焊后處理1鑲試樣取PCB板，用砂紙磨出一個(gè)平面，然后用膠粘到干凈的平板上。用圓筒形模具套住試樣，并與平板良好接觸，防止在向其中倒入環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)發(fā)生泄漏。將環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑按3:1均勻混合，倒入圓筒形模具內(nèi)。靜置12個(gè)小時(shí)后，環(huán)氧樹(shù)脂固化。使其與平板分離，即得到初步試樣。2打磨，拋光取圓柱形試樣，隨后用粗砂紙磨平并露出試樣，在UNIPOL-820型金相研磨拋光機(jī)(圖3-1)上先后

43、采用80#、2000#金相水砂紙進(jìn)行研磨。最后用拋光布進(jìn)行拋光，微粒尺寸0.05m的金剛石膏劑，拋光過(guò)程中需要用顯微鏡觀察一下試樣表面是否仍存在劃痕，直到試樣表面光亮平整無(wú)劃痕。若試樣需要進(jìn)行腐蝕，則拋光結(jié)束后即可進(jìn)行試樣表面的微腐蝕。腐蝕液采用4%硝酸+96%酒精，腐蝕試樣表面510s，用清水沖凈腐蝕液，然后再用酒精清洗表面，電吹風(fēng)機(jī)吹干試樣。實(shí)驗(yàn)所用的UNIPOL-820型金相研磨拋光機(jī)如圖2-6所示。圖2-6 UNIPOL-820型金相研磨拋光機(jī)本章小結(jié)本章重點(diǎn)描述了試驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作，包括釬料的熔煉、熔球、釬焊試驗(yàn)、鑲試樣等工作。并且對(duì)工藝研究中涉及到得實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備的介紹。1.熔煉釬

44、料2.熔球 在切割Sn-9Zn焊料前，一定要先將其表面的氧化膜磨掉，防止對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的影響。在進(jìn)行熔球時(shí)，要先將大型自動(dòng)回流焊爐R340C進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間為半小時(shí)，這樣才能保證熔球時(shí)具有足夠的溫度時(shí)切好的塊狀Sn-9Zn熔成球。3.釬焊實(shí)驗(yàn) 在進(jìn)行釬焊實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要確定好回流焊曲線。一定要保證BGA球與Cu焊盤能夠良好的對(duì)應(yīng)，不要出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象。4.釬焊后處理 在打磨、拋光時(shí)候，要保證拋光后的試樣表面不存在劃痕，否則將對(duì)后續(xù)的界面顯微組織觀察實(shí)驗(yàn)造成影響。剪切強(qiáng)度分析剪切試驗(yàn)剪切測(cè)量方法焊點(diǎn)的剪切實(shí)驗(yàn)采用圖3-1所示的PTR-1100型接合強(qiáng)度測(cè)試儀，選用20kg測(cè)力傳感器，位移速度選用0.03

45、mm/s。本實(shí)驗(yàn)首先把剪切試樣固定在剪切機(jī)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，傳到剪切機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于每一種尺寸的焊球，以0.03mm/s的速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取其平均值計(jì)算平均剪切強(qiáng)度。采用SEM觀察斷口形貌，用EDX確定斷口釬料的成分。PTR-1100剪切強(qiáng)度測(cè)試儀的主要工作原理：在試驗(yàn)時(shí)，推刀與焊有BGA焊球的焊盤產(chǎn)生的力通過(guò)傳感器傳送到PTR-1100的主機(jī)內(nèi)，再通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)的軟件中，可自動(dòng)繪制成曲線，也可把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Excel來(lái)進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)。 圖3-1剪切儀器及剪切實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖剪切測(cè)量原理焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度是評(píng)價(jià)焊點(diǎn)可靠性最為主要的兩個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)之一，在大部分情況下，釬料主要承受剪切力

46、，而且釬料的剪切強(qiáng)度往往小于抗拉強(qiáng)度，所以對(duì)焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度測(cè)試比較科學(xué)。對(duì)焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度本實(shí)驗(yàn)采用PTR-1100型接合強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度是以焊點(diǎn)所承受的最大剪切力與焊點(diǎn)的有效承載面積計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果取測(cè)量的平均值，通過(guò)SEM觀察剪切斷面的微觀形貌，通過(guò)EDX確定斷面表層的物質(zhì)成分。焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度采用下式計(jì)算： (3-1)式中：為焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度（MPa）；F為焊點(diǎn)破壞載荷（N）；A為焊點(diǎn)斷口的實(shí)際面積(mm2)。 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析數(shù)據(jù)處理表3-1、表3-2是所有焊球剪切實(shí)驗(yàn)所得破壞載荷數(shù)據(jù)。是剪切數(shù)據(jù)分析結(jié)果。用origin軟件將所得剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)作圖，如圖3-2所示。表3-

47、1 剪切實(shí)驗(yàn)破壞載荷焊球直徑/m焊點(diǎn)破壞載荷/N1234567891075014.31716.3161718.314.4100030.131.229.830.232.326.532.626.727.334130048.051.249.149.849.843.148.649.151.7表3-2剪切試驗(yàn)結(jié)果焊球直徑/m焊點(diǎn)破壞載荷平均值/N焊點(diǎn)斷口面積/mm2焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度/Mpa75016.1860.31950.739100030.070.60849.457130048.930.9650.4988圖3-2剪切結(jié)果示意圖結(jié)果分析由圖3-2及表3-2可以看出，Sn-9Zn/Cu接頭剪切強(qiáng)度隨BGA球直

48、徑的增大先減小后增大。剪切斷口形貌分析圖3-3到圖3-5是焊球直徑分別為750m、1000m、1300m時(shí)，通過(guò)SEM所得到的剪切斷口形貌圖。 a）剪切斷口100倍SEM圖 b）剪切斷口1000倍SEM圖圖3-3BGA球直徑為750m時(shí)剪切斷口及焊球形貌圖 a)剪切斷口80倍SEM圖 b)剪切斷口1000倍SEM圖圖3-4 BGA球直徑為1000m時(shí)剪切斷口及焊球形貌圖 a)剪切斷口80倍SEM圖 b)剪切斷口1000倍SEM圖圖3-5 BGA球直徑為1300m時(shí)剪切斷口及焊球形貌圖由圖3-3到3-5可以看出，剪切斷口處得韌窩不是很明顯，經(jīng)過(guò)分析研究，可能此處是焊料，所以我們選其中BGA球徑為

49、d=1000 m的焊點(diǎn)做韌窩的成分分析圖。如圖3-3，是剪切斷口某處韌窩元素含量分析圖。由圖3-3可以得知，區(qū)域A處含有大量的Sn，所以可以得到：該處為焊料合金。由此可以斷定斷口位于焊料處。 圖3-6 BGA球徑為1000m時(shí)韌窩的元素含量分析 圖3-7 BGA球徑為1000m時(shí)韌窩的元素含量分析由圖3-6對(duì)A區(qū)域進(jìn)行能譜分析，可知該區(qū)域內(nèi)Sn的含量占很大比例，可以得到剪切斷口位于焊料上。由圖3-7對(duì)B區(qū)域進(jìn)行能譜分析，可知該區(qū)域是化合物，所以可知剪切斷口是位于界面上的。由上述可知，剪切斷口大部分是位于焊料上的，只有少部分是位于接頭界面處的。本章小結(jié)1.利用PTR-1100剪切強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)Sn

50、-9Zn/Cu接頭進(jìn)行剪切，得到斷口破壞載荷的值，通過(guò)計(jì)算得到剪切強(qiáng)度，而后利用origin軟件作圖，得到隨BGA球徑的增大，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度先減小后增大。2.通過(guò)掃描電鏡對(duì)剪切斷口形貌進(jìn)行分析，得到大部分的剪切斷口位于釬料上，只有少部分剪切斷口位于接頭界面處。Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織分析儀器介紹金相顯微鏡（OM）簡(jiǎn)介金相顯微鏡是將光學(xué)顯微鏡技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)完美地結(jié)合在一起而開(kāi)發(fā)研制成的高科技產(chǎn)品，可以在計(jì)算機(jī)上很方便地觀察金相圖像，從而對(duì)金相圖譜進(jìn)行分析，評(píng)級(jí)等以及對(duì)圖片進(jìn)行輸出、打印。金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一，采用定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣

51、磨面或薄膜的金相顯微組織的測(cè)量和計(jì)算來(lái)確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于圖像處理，具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高工作效率。計(jì)算機(jī)定量金相分析正逐漸成為人們分析研究各種材料，建立材料的顯微組織與各種性能間定量關(guān)系，研究材料組織轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)等的有力工具。采用計(jì)算機(jī)圖像分析系統(tǒng)可以很方便地測(cè)出特征物的面積百分?jǐn)?shù)、平均尺寸、平均間距、長(zhǎng)寬比等各種參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)來(lái)確定特征物的三維空間形態(tài)、數(shù)量、大小及分布，并與材料的機(jī)械性能建立內(nèi)在聯(lián)系，為更科學(xué)地評(píng)價(jià)材料、合理地使用材料提供可靠的數(shù)據(jù)。將處理好的金相試樣在Olympus多功能光學(xué)金相顯微鏡

52、(圖4-1)觀察組織形貌。圖4-1 Olympus多功能光學(xué)金相顯微鏡掃描電鏡（SEM）簡(jiǎn)介掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的人射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見(jiàn)、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng) (聲子)、電子振蕩 (等離子體)。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等等。將剪切后的Sn-9Zn/Cu接頭及鑲好的試樣貼好導(dǎo)電膠并且將要測(cè)量的焊點(diǎn)用記號(hào)筆標(biāo)記

53、，放表測(cè)量。SEM設(shè)備與焊點(diǎn)形貌如圖4-2示。 圖4-2掃描電鏡及焊接接頭界面示意圖Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織分析金相顯微鏡結(jié)果分析圖4-3至圖4-5為焊球直徑為750m、1000m及1300m下Sn-9Zn與銅基板釬焊后的釬焊界面金相圖。 圖4-3 焊球直徑為750m，Sn-9Zn/Cu釬焊界面形貌金相圖 圖4-4焊球直徑為1000m，Sn-9Zn/Cu釬焊界面形貌金相圖 圖4-5焊球直徑為1300m，Sn-9Zn/Cu釬焊界面形貌金相圖為了測(cè)出界面反應(yīng)后IMC層的厚度，本文使用AutoCAD軟件測(cè)量IMC層厚度，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到IMC層厚度，計(jì)算公式如下： (4-1)表4-1是計(jì)算I

54、MC層厚度所用到的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果。表4-1 IMC層厚度及所用數(shù)據(jù)BGA球直徑d/m面積S/mm2測(cè)量長(zhǎng)度L1/mm比例尺長(zhǎng)度L2/mm比例尺M(jìn)IMC層厚度K/m7500.46134.09140.7333203.07510002.94859.20871.0904205.87313000.91354.28740.7006206.082得到IMC層厚度后，用Origin軟件作圖，以BGA球直徑做橫坐標(biāo)，IMC層厚度為縱坐標(biāo)繪圖，得到圖4-4所示的IMC層厚度隨BGA球直徑變化的規(guī)律。由圖4-4可知，從總體上看，隨BGA球直徑的增大，IMC層厚度增加。BGA球直徑從750m增加到1000m時(shí)，IMC

55、層厚度增大的趨勢(shì)很快，當(dāng)BGA球直徑從1000m增加到1300m時(shí)，IMC層厚度增大的趨勢(shì)變得緩慢起來(lái)。圖4-4焊后IMC層厚度隨焊球直徑變化趨勢(shì)圖掃描電鏡結(jié)果分析圖4-6到4-8分別是BGA球直徑分別為750m、1000m及1300m下，焊點(diǎn)界面的SEM圖、能譜圖及界面元素分布圖。 a) d=750m界面SEM圖 b) d=750m界面能譜圖C) d=750m界面元素分布圖圖4-6 d=750m焊點(diǎn)界面SEM圖、能譜圖及界面元素分布圖 a) d=1000m界面SEM圖 b) d=1000m界面能譜圖c) d=1000m界面元素分布圖圖4-7 d=1000m焊點(diǎn)界面SEM圖、能譜圖及界面元素分

56、布圖 a) d=1300m界面SEM圖 b) d=1300m界面能譜圖c) d=1300m界面元素分布圖圖4-8 d=1300m焊點(diǎn)界面SEM圖、能譜圖及界面元素分布圖首先，根據(jù)圖4-6及數(shù)據(jù)分析d=750m的焊點(diǎn)。由于線掃描由Cu基板一側(cè)開(kāi)始，因此開(kāi)始時(shí)Cu的成分接近100% wt.%，而Sn、Zn的成分接近0% wt.%。隨著與Cu基板距離的增加，Cu的成分急劇下降，在距Cu板大約16m處達(dá)到一個(gè)較小的峰值，而后繼續(xù)下降，直至0% wt.%。初始位置時(shí)Zn的含量接近于0% wt.%，而后在界面處急劇增加，在距Cu基板大約15m處達(dá)到峰值，其后急劇下降直至0% wt.%。由各元素成分可知，在

57、一定的階段內(nèi)，界面處Cu的含量在38.0wt.%上下波動(dòng)，Zn的總含量在62.0w.t%上下波動(dòng)，接近Cu5Zn8相的成分，可確定為Cu5Zn8。另外，由于界面處Cu和Zn的成分一直在波動(dòng)，而在界面處又不可能單純出現(xiàn)Cu5Zn8這一種化合物，所以我們可以推測(cè)還存在某種Cu-Zn化合物。因此，在Sn-9Zn/Cu接頭界面主要存在Cu-Zn化合物、Cu5Zn8，體釬料中還存在富Sn相。且隨著與Cu板距離的增大，依次出現(xiàn)Cu-Zn化合物、Cu5Zn8、富Sn相。d=1000、1300m的焊點(diǎn)界面顯微組織掃描電鏡照片和線掃描圖像的分析結(jié)果與d=750m的情況基本相同，出現(xiàn)的相的種類并無(wú)變化。由界面元素

58、分布圖可以看出隨BGA球直徑的增大，Sn-9Zn/Cu釬焊界面IMC層的厚度逐漸增大，這與各尺寸BGA球金相分析的結(jié)果相一致。但是在圖4-7釬焊界面處存在兩層化合物，在兩層化合物的中間有一極薄的Sn層，經(jīng)過(guò)分析研究，可能是在界面處形成的Cu5Zn8擴(kuò)散到釬料中的緣故。本章小結(jié)1.利用金相顯微鏡及掃描電鏡對(duì)Sn-9Zn/Cu接頭界面的觀察，通過(guò)金相顯微鏡經(jīng)AutoCAD測(cè)量并且計(jì)算得到Sn-9Zn/Cu接頭IMC層厚度，焊后IMC層的厚度從總體上看，隨BGA球直徑的增大，IMC層厚度增加。BGA球直徑從750m增加到1000m時(shí)，IMC層厚度增大的趨勢(shì)很快，當(dāng)BGA球直徑從1000m增加到130

59、0m時(shí)，IMC層厚度增大的趨勢(shì)變得緩慢起來(lái)。2. 對(duì)于不同尺寸的焊點(diǎn)，界面微觀組織的成分基本相同.顯微組織主要由Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物和富Sn相組成。隨著與Cu基板距離的增大，依次出現(xiàn)Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物、富Sn相，并且各相在一定范圍內(nèi)共同存在。結(jié)論本論文以Sn-9Zn釬料與Cu基板的焊接結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用OM、SEM、和EDS等手段對(duì)Sn-9Zn/Cu界面顯微組織及剪切性能進(jìn)行分析研究，得出了以下結(jié)論：1剪切試驗(yàn)中，隨焊球直徑的增大，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度呈V字型變化，即先減小后增大。并且通過(guò)對(duì)剪切斷口的SEM進(jìn)行觀察可以得到大部分剪切斷口大部分位于釬料上，少部分

60、位于界面。2對(duì)于不同尺寸的焊點(diǎn)，界面微觀組織的成分基本相同.顯微組織主要由Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物和富Sn相組成。隨著與Cu基板距離的增大，依次出現(xiàn)Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物、富Sn相，并且各相在一定范圍內(nèi)共同存在。3對(duì)釬焊接頭進(jìn)行金相觀察，并且分析計(jì)算后得到結(jié)果，焊后IMC層的厚度從總體上看，隨BGA球直徑的增大，IMC層厚度增加。BGA球直徑從750m增加到1000m時(shí)，IMC層厚度增大的趨勢(shì)很快，當(dāng)BGA球直徑從1000m增加到1300m時(shí)，IMC層厚度增大的趨勢(shì)變得緩慢起來(lái)。致謝本文的研究工作是在孟工戈老師精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的。孟老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)