论文部分内容阅读
Sn-58Bi钎料由于熔点低、润湿性好、力学性能优良而在低温焊点封装领域具有广泛的应用前景。但是Sn-58Bi钎料也存在其不足，脆性Bi相在服役环境中极易产生粗化，进而降低焊点的可靠性。如今研究较多的是在焊点中添加增强颗粒。增强颗粒的尺寸一般是微米级或者纳米级，主要分为三种：第一种参与反应的颗粒，包括Ag、Au、Ni、Fe、Zn、RE等；第二种是不参与反应的颗粒，包括Al2O3、TiO2、POSS、SnO2等；第三种是部分参与反应的颗粒，主要包括Ni-CNTs、Co-Al2O3等。 本文在 Sn-58Bi共晶钎料中添加碳纳米管（CNTs），研究了不同含量CNTs（0、0.01wt.%、0.03wt.%、0.05wt.%、0.07wt.%）对Sn-58Bi共晶钎料焊点润湿性、基体组织、界面金属间化合物、焊点的拉伸与剪切性能、拉伸断口形貌的影响规律，得出焊点性能最优的CNTs添加量，并在此基础上研究Sn-58Bi共晶钎料和复合钎料焊点在电迁移过程中界面形态及力学性能的变化规律，并研究多场耦合下两种钎料焊点的抗蠕变性能，建立焊点蠕变本构方程，探究低温封装钎料Sn-58Bi的蠕变机理。 研究了Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu（x=0-0.07）焊点显微组织、润湿性和力学性能，并对焊点的拉伸断口进行分析。结果表明：Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu焊点的基体析出相为富Bi相、富Sn相及少量U型、H型Cu6Sn5相，且CNTs添加量为0.01wt.%时复合钎料的基体组织明显得以细化，组织层片之间的距离明显缩小；添加CNTs改变了焊点界面析出相的比例，Cu6Sn5相的比例增加了，析出相中可能存在CNT-Sn相；随着CNTs含量的逐渐增加，Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu复合钎料焊点界面IMC厚度降低；CNTs含量为0.03wt.%时复合钎料的铺展面积最大，润湿性最佳，相比于Sn-58Bi钎料，复合钎料的铺展面积提高了18.9%；复合钎料的抗拉强度、延伸率和剪切强度随着CNTs含量的逐渐增加均呈现先上升后下降的趋势，当CNTs含量为0.01wt.%时，复合钎料的力学性能最佳；Sn-58Bi钎料焊点的拉伸断口呈现台阶状，断裂形式为脆性断裂，Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的拉伸断口凹凸不平，在断口中出现碳纳米管被拔出的现象，存在一定的塑性变形。 研究了电迁移对Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu（x=0、0.01wt.%）焊点组织和性能的影响。结果表明：随着通电时间的增加，Sn-58Bi钎料及Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料基体显微组织均发生了粗化，Cu/Sn-58Bi/Cu焊点通电100h在阳极附近形成了粗大的富Bi相；随着通电时间的增长，焊点界面IMC层的生长呈现明显的极性效应，阳极界面IMC层厚度则不断增加，阴极界面增加不明显，但Cu/Sn-58Bi-0.01CNTs/Cu焊点阳极界面IMC层厚度增加趋势小于Cu/Sn-58Bi/Cu焊点；Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu复合钎料焊点抗蠕变性能随着通电时间的增加逐渐降低，且同一通电时间下Cu/Sn-58Bi/Cu钎料焊点抗蠕变性能低于Cu/Sn-58Bi-0.01CNTs/Cu复合钎料焊点。 研究了多场耦合条件下Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu焊点的抗蠕变性能。结果表明：随着温度和应力的增加，Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的蠕变寿命逐渐降低，Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点断裂方式均是由沿晶断裂逐渐转变为穿晶断裂，在较低应力和温度下Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点断口上发现了类似于韧窝的形貌，表明添加CNTs可以提高焊点的韧性；应力-温度-电流三场作用下，Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的抗蠕变性能随着温度和电流的逐渐增加而降低。电流对抗蠕变性能的影响主要在于提高焊点的服役温度。 建立应力-温度两场作用下Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu焊点蠕变本构方程并分析其蠕变机理。结果表明：根据稳态蠕变方程得到不同应力条件下的Sn-58Bi钎料焊点的蠕变激活能Qc1为71.94-89.74kJ/mol，Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的蠕变激活能Qc2为87.95-114.43kJ/mol，不同温度条件下Sn-58Bi钎料焊点的应力指数n1为3.35-4.26，Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的应力指数n2为3.66-5.20。根据应力指数n和蠕变激活能Qc以及常数A得到Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的蠕变本构方程分别为(公式略)。Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的蠕变机制为位错管道扩散控制的位错攀移。