锰掺杂对无铅焊料Sn-0.3Ag-0.7Cu界面反应及力学性能的影响

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随着电子产品朝着高性能和微型化方向发展,微电子器件和焊点的尺寸越来越小,焊点承受的载荷越来越大,对焊点可靠性的要求也越来越高。低银Sn-Ag-Cu系无铅焊料由于其较高的性价比,深受各大厂商的青睐,但界面金属间化合物(IMC)过量生长和力学性能不足对焊点长期可靠性是不利,限制了其高端应用。因此,研究高性能低银Sn-Ag-Cu系无铅焊料具有重要意义和实用价值。论文通过分析Sn-0.3Ag-0.7Cu-xMn(x=0,0.02,0.05,0.1,0.15wt.%)焊点界面微观组织形貌、界面IMC层生长、焊点拉伸和剪切强度、断裂面组织形貌及化学成分随Mn含量、时效时间变化的规律,探索Mn掺杂影响界面反应与焊点力学性能和抗老化性能的机理。研究发现,掺杂Mn元素后焊点界面扇贝状IMC层变薄。在时效过程中,Mn掺杂能显著抑制焊点界面IMC层生长,对Cu6Sn5相和Cu3Sn相的生长均有抑制作用,随着Mn含量从0增加到0.15%,抑制效果逐渐增强。Mn掺杂抑制界面IMC层生长的机理可能是异相成核机制和钉扎效应。局部富集在界面IMC层附近的Mn元素,为IMC颗粒的析出提供了异相成核中心,更多细小的IMC颗粒沉降在IMC层表面或者钉扎在晶粒间沟槽处阻碍元素扩散,抑制了焊点界面IMC层的生长,减缓了焊点在时效过程中的恶化。研究表明掺杂Mn元素能提高Sn-0.3Ag-0.7Cu焊点的拉伸强度,当Mn含量为0.05%时焊点的拉伸强度最大,并能抑制拉伸强度在时效过程中的下降。焊点拉伸强度提高和抗老化性能增强的机制为:焊点界面IMC层平坦化的速度降低,增加了焊料基体与界面IMC层的接触面积;界面IMC层的生长受到抑制;界面IMC层表面析出更多的IMC颗粒阻碍了位错的运动,减小了局部应力集中。掺杂Mn元素提高了焊点的剪切强度,掺杂0.05%Mn的焊点剪切强度最大,抗老化性能也有所增强,原因可能是弥散分布于焊料细小IMC颗粒阻碍位错运动。
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