【摘 要】
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随着5G时代的到来,智能手机、PC类终端设备得到了快速发展。为了满足功能需求,封装互连焊点将不断减少,PCB板将越来越薄。目前,Sn-Ag-Cu钎料因其良好的性能应用广泛。但是由于焊接温度较高,硅芯片与PCB板热膨胀系数不同而引起的翘曲严重。共晶Sn-Bi钎料合金具有熔点低、强度高、成本低等优点,是一种很有前途的低温钎料。然而,含Bi钎料脆性大,延展性差,合金中Bi含量对焊点性能影响显著。研究Bi
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随着5G时代的到来,智能手机、PC类终端设备得到了快速发展。为了满足功能需求,封装互连焊点将不断减少,PCB板将越来越薄。目前,Sn-Ag-Cu钎料因其良好的性能应用广泛。但是由于焊接温度较高,硅芯片与PCB板热膨胀系数不同而引起的翘曲严重。共晶Sn-Bi钎料合金具有熔点低、强度高、成本低等优点,是一种很有前途的低温钎料。然而,含Bi钎料脆性大,延展性差,合金中Bi含量对焊点性能影响显著。研究Bi含量对Cu/Sn-xBi/Cu焊点的微观组织、界面金属间化合物（IMC,Intermetallic compound）生长动力学和剪切性能的影响,为改善低温Sn-Bi焊点的性能提供了一种研究思路。本论文研究了Bi含量对Sn-xBi钎料的组织、熔化性能和润湿性能以及钎焊和时效过程中Cu/Sn-xBi/Cu焊点微观组织演变和力学性能的影响。主要结论如下:1、Sn-xBi体钎料的微观组织均由灰色β-Sn相和白色Bi相组成。随着Sn-xBi钎料中Bi含量的降低,β-Sn基体中弥散的Bi相减少,网状Sn-Bi相共晶组织逐渐消失,Bi相形态由长条状转变成短棒状或颗粒状;Sn-Bi钎料的熔点升高,熔程增大,其中,Sn-56.91Bi,Sn-46.81Bi和Sn-39.76Bi熔点变化较小;随着Bi含量的降低,Sn-xBi钎料在Cu基板上的铺展面积增大,Sn-xBi钎料的显微硬度先减小后增大。2、回流后,Sn-56.91Bi/Cu接头界面处生成扇贝状Cu6Sn5 IMC,此时IMC厚度最薄,随着Sn-xBi钎料中Bi含量降低,界面IMC厚度增大。随着回流次数和时效时间的增加,界面处生成Cu6Sn5和Cu3Sn IMC,IMC厚度均增厚。在时效过程中,Sn-56.91Bi/Cu的界面IMC的平均生长速率最低,这是由于Sn-56.91Bi/Cu的IMC界面处的Bi偏聚最多,偏聚的Bi阻碍了Sn与Cu相互扩散,抑制了界面IMC在时效过程中的生长。3、时效之前Cu/Sn-56.91Bi/Cu和Cu/Sn-46.81Bi/Cu接头的剪切强度最高,均为41MPa,但110 ℃条件下时效800 h后,在Sn-56.91Bi和Sn-46.81Bi焊点的Cu3Sn/Cu界面处出现Bi偏析,剪切强度分别降低至34 MPa和37 MPa。Cu/Sn-39.76Bi/Cu接头在焊接状态和时效后均显示出最高的延展性。时效过程中,Cu/Sn-56.91Bi/Cu和Cu/Sn-46.81Bi/Cu接头断裂方式由钎料内部断裂向钎料/IMC界面的脆性断裂转变。而Cu/Sn-39.76Bi/Cu、Cu/Sn-30.56Bi/Cu和Cu/Sn-20.89Bi/Cu接头的剪切性能在时效过程中较为稳定,断裂方式几乎不发生改变。分析Bi含量对Sn-xBi钎料的组织和性能的影响,综合考虑钎焊和时效过程中Cu/Sn-xBi/Cu焊点微观组织演变和力学性能的影响可知,优化后的Sn-xBi钎料合金成分为Sn-39.76 wt.%Bi。
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