铜、银基体无铅焊料界面金属间化合物形成机制与力学行为研究

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	铜、银基体无铅焊料界面金属间化合物形成机制与力学行为研究
	邹鹤飞
学位类型	博士
导师	张哲峰
	2011
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料物理与化学
关键词	无铅焊料金属间化合物界面反应粗化机制 Bi偏聚
摘要	"过饱和焊料锡铜与铜界面的金属间化合物(IMC)的晶粒平均半径与回流时间的立方根成正比关系，相应的晶粒分布规律符合FDR模型；而对于纯锡、共晶锡银铜焊料与铜界面的IMC的平均晶粒半径与回流时间的平方根成正比关系，相应的晶粒分布规律符合修正后的FDR模型和MR模型。然而铜多晶基体转变为单晶后，界面IMC的形貌取决于铜单晶的晶体取向。在(001)和(111)单晶铜基体与纯Sn界面上形成的IMC为一些规则排列的棱柱状IMC而并非典型的扇贝状。(001)单晶铜上的棱柱状IMC主要沿着相互垂直的两个方向生长；而(111)单晶铜上的棱柱状化合物IMC却沿着三个互为60°的方向生长。EBSD分析结果显示规则排列的棱柱状IMC的[-201]方向与单晶铜部分取向存在极小的错配度，导致优先形核使得彼此间存在大量的特定取向关系。而在(011)和(123)单晶铜上仍形成典型扇贝状IMC。实验结果证实棱柱状IMC晶粒的粗化主要由界面间铜流量决定，而扇贝状IMC晶粒的粗化源于两个流量：界面间铜流量和熟化铜流量，这也就导致了棱柱状IMC晶粒的粗化机制与扇贝状不同。进一步应用EBSD研究界面结果发现(011)铜与扇贝状IMC界面也存在大量特定的取向关系，且IMC层呈现出非常强的织构，并且不受时效时间和新相形成的影响。而单晶银与锡的界面化合物研究结果表明：银晶体取向能够改变界面IMC的形貌并不是铜单晶所独有的，银单晶取向的改变也能改变界面IMC的形貌。同时EBSD研究结果显示当银单晶取向为(001)、(011)和(111)时，界面IMC和银单晶基体间同样存在大量的取向关系而且呈现出一定的织构，其原因仍是由于IMC与银单晶基体间存在最小错配度方向。对焊点的力学性能研究发现锡铋焊料与铜焊点经120度时效8天后，焊点沿着Cu3Sn/Cu界面发生明显的脆性断裂，这严重恶化了SnBi/Cu焊点的力学性能。微观组织研究结果证实经长时间固态时效或液态时效后的SnBi/Cu焊点的Cu3Sn/Cu界面可发生Bi颗粒偏聚并形成孔洞。然而向铜基体中加入少量的Ag、Al、Sn或Zn等元素后，发现SnBi/Cu-X合金连接偶经长时间固态时效后焊点不再发生脆性断裂，且断裂沿着IMC/铜界面发生。即使对于长时间固态时效和液态时效后的锡铋与铜合金连接偶界面的微观组织仍没有发生界面铋偏聚及界面脆性断裂现象。"
其他摘要	Pb and SnPb solders have been widely used in electronic packaging field for many years. However, due to the environmental concerns arising from the toxicity of Pb in recent years, SnPb solder had been prohibited in electronic packaging field in USA, Europe. As a result, lead-free solders have attracted much attention worldwidely. But lead-free assembly would involve many aspects: lead-free solders, application process, electronic component, reliability, etc. In order to reveal the morphology of intermetallics compounds (IMCs) and the reliability of solder joints, a series of experiments was designed. Based on these experimental results, the effects of substrates on the morphologies and formation mechanisms of IMCs as well as the mechanical properties of SnBi/Cu and SnBi/Cu alloy joints were systematically investigated.
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64314
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	邹鹤飞. 铜、银基体无铅焊料界面金属间化合物形成机制与力学行为研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011.