【摘 要】
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微电子工业的日益发展使得各种新型电子封装材料的开发逐渐成为了人们关注的热点,其中在众多的Sn基无铅焊料中,Sn-Ag-Cu三元钎料一直是代替Sn-Pb共晶焊料的主流产品之一。然而,越来越多的消费类电子产品由于其它高分子材料的存在,其封装温度通常要求低于180℃,这就使得熔点在220℃左右的SAC系合金不再适用。经过多年的发展,Sn-Bi系钎料以低廉的价格和良好的综合性能逐渐被应用于当代电子制造业,
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微电子工业的日益发展使得各种新型电子封装材料的开发逐渐成为了人们关注的热点,其中在众多的Sn基无铅焊料中,Sn-Ag-Cu三元钎料一直是代替Sn-Pb共晶焊料的主流产品之一。然而,越来越多的消费类电子产品由于其它高分子材料的存在,其封装温度通常要求低于180℃,这就使得熔点在220℃左右的SAC系合金不再适用。经过多年的发展,Sn-Bi系钎料以低廉的价格和良好的综合性能逐渐被应用于当代电子制造业,但由于Bi元素的脆性特点,焊料和焊点的可靠性经常会受到严重影响。因此,对新型Sn-Bi系钎料的开发是电子封装低温互连技术中的重要任务。本工作根据微量元素Ag可以降低熔点和增加韧性等自身优点,针对自制的Sn-Bi57-Ag0.7无铅焊料进行深入研究,不仅分析了该钎料合金本身的组织量化和力学性能,还对其回流焊后形成的焊点在各种环境中的服役可靠性和微观形貌演变机理进行了详细阐述,对新型Sn-Bi系无铅焊料的探究和开发具有一定的理论意义。针对不同工艺参数下Sn-Bi-Ag合金的微观形貌,本研究不仅结合多种表征技术分析了基体中β-Sn相和富Bi相的演变机理,还采用了改良的截点法来定量表征该合金自身微观组织的平均尺寸,确定了富Bi相尺寸随着冷却速率的加快而逐渐减小。此外,对合金的抗拉强度、伸长率、宏观硬度以及蠕变性能等力学测试的结果表明,冷却速率越快,焊料基体组织越均匀且细化,抗拉强度和维氏硬度就越高,其中抗拉强度从冷却速率为5℃/min时的69MPa增加至60℃/min时的78 MPa,而维氏硬度则从5℃/min时的16.73 HV增加至60℃/min时的20.28HV,但蠕变性能却由于其机制为晶界滑移主导的扩散蠕变而变差。此结论不仅弥补了 Sn-Bi系焊料中平衡或非平衡冷却条件下组织演变研究的不足,还建立了工艺参数-组织-力学性能三者之间的内在联系。为了评估回流焊后Sn-Bi-Ag焊点的可靠性,对其进行了常规等温老化试验（85℃）和板级跌落测试,确认焊点主要由灰色的β-Sn相、白色的富Bi相以及界面IMC所构成,个别位置还分布着少许Ag3Sn第二相颗粒。随着老化时间的延长,富Bi相逐渐粗化,Cu6Sn5和Cu3Sn也分别从最初的0.92 μm和几乎不可见增加到2.45μm和1.01 μm,并与体扩散机制和奥斯瓦尔德熟化机理有关。根据跌落失效焊点的断口形貌,可得出断裂机理从回流和老化初期在基体内部发生准解理断裂转变为老化后期在Cu6Sn5/Solder界面发生脆性解理断裂的结论,表明该类焊点的性能依然有继续提升和探究的空间。尽管有许多关于Sn基无铅焊点热循环行为的研究,但相应的机理却因其复杂性而难以普适性描述,因此针对Sn-Bi-Ag焊点深入开展从-40℃到85℃温度循环0周次到1000周次的微观组织演变以及失效机理研究。发现随着温循时间的延长,片层富Bi相的平均尺寸从3.49 μm粗化至6.15 μm,而界面IMC层则从0.82 μm增厚至2.38 μm;而经历3000周次的温循后,焊点会出现两种不同的失效阶段,早期失效阶段的表现为组织疏松,晚期失效阶段的焊点内部则可以看到贯穿整个基体的裂纹,它们都与热失配应力有着密切关系。此外,焊点温度循环后的晶粒取向与传统Sn-Bi共晶焊点不同,其中Sn晶粒和Bi晶粒均不存在择优取向,该现象是由于富Bi相附近的Ag3Sn颗粒可以有效阻碍其晶粒取向的变化,这与其它焊点相比可以减少基体中的局部各向异性。最后基于Sn-Bi系焊点的热迁移行为以及晶粒在温度梯度下的取向变化鲜有报道的现状,针对Sn-Bi-Ag焊点进行了在625℃/cm温度梯度下的热迁移实验研究。结果表明由于温度梯度提供的热驱动力不足,无论焊点热端还是冷端附近的Sn/Bi两相占比在热迁移和刚回流后均没有显著差异,且两端的界面IMC呈对称形态,厚度（热端为2.49 μm而冷端为2.51 μm）也基本接近于相同条件下的老化样品。然而,温度梯度可以导致焊点内Bi晶粒取向从最初的无序随机取向转变为c轴与热流方向平行,但Ag3Sn颗粒却可以阻止部分位置Bi晶粒取向发生改变,从而首次揭示了温度梯度下Bi晶粒取向的转变机理。通过对Sn-Bi57-Ag0.7无铅焊料合金及其焊点的上述系统研究,相信该类钎料在未来必然会有着较广阔的应用前景。
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