论文摘要
随着健康与安全意识在电子封装领域愈发重视,无铅钎料替代传统的含铅钎料势在必行。然而,大部分无铅钎料的润湿性不及传统锡铅共晶钎料,且钎焊界面易出现脆性相的偏析、钎料对基板的溶解,故无法保证钎焊接头的质量。另一方面,大部分钎焊过程总是伴随界面冶金反应的发生,对于界面析出金属间化合物的作用尚存争议:界面析出金属间化合物一方面去除了母材表面的氧化膜,促进润湿的同时进而保证了界面有较好的冶金结合,然而金属间化合物的脆性也大大降低了接头的强度。那么,金属间化合物是否在钎焊连接过程中必不可少?金属间化合物本身的润湿性又是如何?这是本课题开展的主要研究动机。首先采用在铜表面预生成Sn-Cu金属间化合物的方式,结合改良座滴法,通过对比不同锡基钎料在纯铜和金属间化合物表面的润湿性与铺展动力学,揭示界面微观结构特征的同时,分析了润湿机制与铺展驱动力,获得的主要研究结果如下:（1）623K-723K时,在Sn/Cu、Sn/Sn-Cu IMCs两体系的润湿实验中,最终接触角对温度几乎无依赖关系,基板表面镀金可以作为一种改善润湿性的方法。从界面IMC的厚度变化来看,预制的IMC层可以防止Cu的继续溶解,从而可作为一种控制界面IMC厚度的方法。在Sn/Cu体系,若基板表面无氧化膜的存在,基于Sn在Cu表面的本征润湿性,体系的润湿性应非常好。事实上,两体系的润湿铺展都受限于基板表面氧化膜破除的化学反应并非界面金属间化合物析出的这一过程,故界面产物控制模型对最终润湿性的预测不适用。计算得到Sn/Cu、Sn/Sn-Cu IMCs两体系的润湿激活能分别是22.270 kJ/mol和20.469 kJ/mol。（2）623K时,在Sn-Bi/Cu、Sn-Bi/IMCs两体系的润湿实验中,熔滴材料的化学组分对Sn-Bi/Cu体系润湿性影响显著,润湿性从优到劣的顺序为:Bi30Sn70﹥Bi58Sn42﹥Sn﹥Bi90Sn10﹥Bi。Bi的偏析现象在Sn-Bi/Cu的界面尤为明显,主要来自固溶体中的饱和析出,并非Bi原子的扩散,且合金中Bi:Sn值（质量分数比）越高,偏析越严重。Sn-Bi/Sn-Cu IMCs中Bi的偏析少有发现,预制的IMC同样可以控制IMC的厚度,并可抑制Bi的偏析。两体系的界面结构与Sn-Bi-Cu三元相图十分吻合。最终体系的润湿铺展机制相同,润湿的驱动力受控于界面的化学反应[Sn]+2Cu2O→SnO2+4[Cu],且此化学反应强度的不同是造成两体系铺展特性差异的主要原因。（3）673K时,将Sn-0.7Cu/Cu、Sn0.3Ag0.7Cu/Cu和Sn-0.7Cu/Sn-Cu IMCs、Sn0.3Ag0.7Cu/Sn-Cu IMCs的润湿实验结果与相同实验条件下纯Sn钎料在两种基板上的进行了对比,发现纯锡钎料中微量的Ag与Cu的添加可以有效地抑制界面金属间化合物的形成,同时可以缩短熔滴铺展的时间。Sn-0.7Cu/Cu、Sn0.3Ag0.7Cu/Cu体系润湿的驱动力同样受控于氧化膜的破除反应[Sn]+2Cu2O→SnO2+4[Cu],Sn/Cu体系与前两者相比,界面处基板的溶解与Cu原子的扩散显著影响铺展速率。Sn0.7Cu和Sn0.3Ag0.7Cu在镀金的Cu6Sn5表面具有很好的润湿性,Sn-0.7Cu/IMCs、Sn0.3Ag0.7Cu/IMCs和Sn/IMCs润湿机制相同,也受控于氧化膜的破除反应,钎料中的Ag、Cu组元几乎不影响润湿机制。综上,研究结果有望丰富钎焊过程中钎料润湿铺展的相关基础理论,同时可为无铅钎料的进一步发展提供相关的实验依据。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 李富祥
导师: 林巧力
关键词: 无铅钎料,润湿性,金属间化合物,氧化膜,界面反应强度,铺展机制
来源: 兰州理工大学
年度: 2019
分类: 工程科技Ⅰ辑
专业: 金属学及金属工艺
单位: 兰州理工大学
分类号: TG42
总页数: 62
文件大小: 3484K
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