1、哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 - PAGE II - PAGE IV -核準通過，歸檔資料。未經允許，請勿外傳！9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R#Sn-9Zn;尺寸效應;剪切強度Shear strength and interface microstructure analysis of Sn-Zn/Cu solder jointsAbstractBecause of lead materials is harmful to human body

2、 and the environment, the connection materials which is used for electronic packaging has become a necessity as the development. At the point of melting point, toxicity, resources and price, Sn-Zn lead-free solder is the best choice. At present time, the research for Sn-Zn lead-free solder has made

3、much progress in wettability stain resistance and bad fatigability. Sn-Zn solder which comparied with other series of solders is still the most promising.Now the research for Sn-Zn solder in shear performance and microstructure is relatively less. So in this paper the object of the research is the S

4、n-9Zn solder and Cu substrate welding structure, using cutting machine, scanning electron microcopy and metallographic microscope to study Sn-9Zn/Cu brazed joint (the diameter of the soldered ball is 750m、1000m、1300m),including the shear strength and interface microscopic structure, the conclusions

5、are as follows:with the increase of the diameter of solder ball, the increase trend of shear strength of Sn-9Zn/Cu brazed joint represent V, that is the tends to decrease firstly and then increase. At the same time, the observation and analysis of the pattern of fracture, the conclusion is as follow

6、s: with the increase of the diameter of solder ball, the dimple which is close and deep becomes thin and light.with the increase of the diameter of solder ball, the thickness of the IMC increase, but when the diameter is 1000m, the trend of increase slows down. For different sizes of solder joint, t

7、he ingredients of the interface microstructure is the same. The component of the microstructure is Cu- Zn compounds、 Cu5Zn8 compounds and Sn- rich phase. With the distance increase, it appears one by one：Cu-Zn Cu5Zn8 compounds, Sn- rich phase, and the phase exits together.Key words lead-free solder；

8、Sn-9Zn; size effect; shear strengthPAGE II- - PAGE VI -目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc296577008 第1章 緒論 PAGEREF _Toc296577008 h 1 HYPERLINK l _Toc296577009 1.1 無鉛焊料發(fā)展的必然性 PAGEREF _Toc296577009 h 1 HYPERLINK l _Toc296577010 1.2 無鉛釬料性能及要求 PAGEREF _Toc296577010

9、 h 1 HYPERLINK l _Toc296577011 1.3 Sn-Zn系無鉛焊料研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc296577011 h 2 HYPERLINK l _Toc296577012 1.4 電子封裝中尺寸效應及剪切性能的研究 PAGEREF _Toc296577012 h 5 HYPERLINK l _Toc296577013 1.4.1 對于尺寸效應的研究 PAGEREF _Toc296577013 h 5 HYPERLINK l _Toc296577014 1.4.2 對于焊點剪切性能的研究 PAGEREF _Toc296577014 h 5 HYPERLINK l

10、_Toc296577015 1.5 本文研究思路和內容 PAGEREF _Toc296577015 h 6 HYPERLINK l _Toc296577016 1.5.1 本文研究的目的及意義 PAGEREF _Toc296577016 h 6 HYPERLINK l _Toc296577017 1.5.2 本課題主要內容 PAGEREF _Toc296577017 h 6 HYPERLINK l _Toc296577018 第2章 Sn-Zn合金的制備及釬焊試驗 PAGEREF _Toc296577018 h 7 HYPERLINK l _Toc296577019 2.1 熔煉前的準備 PA

11、GEREF _Toc296577019 h 7 HYPERLINK l _Toc296577020 2.1.1 合金原料的準備 PAGEREF _Toc296577020 h 7 HYPERLINK l _Toc296577021 2.2 熔煉釬料合金 PAGEREF _Toc296577021 h 7 HYPERLINK l _Toc296577022 2.2.1 釬料合金熔煉方法 PAGEREF _Toc296577022 h 7 HYPERLINK l _Toc296577023 2.2.2 釬料合金的熔煉過程 PAGEREF _Toc296577023 h 8 HYPERLINK l

12、_Toc296577024 2.3 熔球 PAGEREF _Toc296577024 h 9 HYPERLINK l _Toc296577025 2.4 釬焊試驗 PAGEREF _Toc296577025 h 9 HYPERLINK l _Toc296577026 2.4.1 釬焊工件表面清理 PAGEREF _Toc296577026 h 9 HYPERLINK l _Toc296577027 2.4.2 釬焊 PAGEREF _Toc296577027 h 10 HYPERLINK l _Toc296577028 2.4.3 釬焊后處理 PAGEREF _Toc296577028 h 1

13、1 HYPERLINK l _Toc296577029 2.5 本章小結 PAGEREF _Toc296577029 h 12 HYPERLINK l _Toc296577030 第3章 剪切強度分析 PAGEREF _Toc296577030 h 13 HYPERLINK l _Toc296577031 3.1 剪切試驗 PAGEREF _Toc296577031 h 13 HYPERLINK l _Toc296577032 3.1.1 剪切測量方法 PAGEREF _Toc296577032 h 13 HYPERLINK l _Toc296577033 3.1.2 剪切測量原理 PAGER

14、EF _Toc296577033 h 13 HYPERLINK l _Toc296577034 3.2 剪切試驗數據處理及結果分析 PAGEREF _Toc296577034 h 14 HYPERLINK l _Toc296577035 3.2.1 數據處理 PAGEREF _Toc296577035 h 14 HYPERLINK l _Toc296577036 3.2.2 結果分析 PAGEREF _Toc296577036 h 15 HYPERLINK l _Toc296577037 3.2.3 剪切斷口形貌分析 PAGEREF _Toc296577037 h 15 HYPERLINK l

15、 _Toc296577038 3.3 本章小結 PAGEREF _Toc296577038 h 17 HYPERLINK l _Toc296577039 第4章 Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織分析 PAGEREF _Toc296577039 h 18 HYPERLINK l _Toc296577040 4.1 儀器介紹 PAGEREF _Toc296577040 h 18 HYPERLINK l _Toc296577041 4.1.1 金相顯微鏡（OM）簡介 PAGEREF _Toc296577041 h 18 HYPERLINK l _Toc296577042 4.1.2 掃描電鏡（SE

16、M）簡介 PAGEREF _Toc296577042 h 18 HYPERLINK l _Toc296577043 4.2 Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織分析 PAGEREF _Toc296577043 h 19 HYPERLINK l _Toc296577044 4.2.1 金相顯微鏡結果分析 PAGEREF _Toc296577044 h 19 HYPERLINK l _Toc296577045 4.2.2 掃描電鏡結果分析 PAGEREF _Toc296577045 h 21 HYPERLINK l _Toc296577046 4.3 本章小結 PAGEREF _Toc2965770

17、46 h 25 HYPERLINK l _Toc296577047 結論 PAGEREF _Toc296577047 h 26 HYPERLINK l _Toc296577048 致謝 PAGEREF _Toc296577048 h 27 HYPERLINK l _Toc296577049 參考文獻 PAGEREF _Toc296577049 h 28 HYPERLINK l _Toc296577050 附錄A PAGEREF _Toc296577050 h 30 HYPERLINK l _Toc296577051 附錄B PAGEREF _Toc296577051 h 37- PAGE 10

18、 - PAGE 54 -緒論無鉛焊料發(fā)展的必然性傳統(tǒng)焊接使用Sn-Pb焊料，其中Sn和Pb的質量百分含量分別為63%和37%，共晶溫度是183，過去一直在電子部件裝配中占主導地位。當今社會電子產品更新速度快，微電子產品正向微型化和高性能方向發(fā)展，電子產品的體積在逐漸變小，而要承受的電學、熱學和力學負荷卻在加重，對產品可靠性的要求越來越高。眾所周知鉛及含鉛化合物都是有毒物質，電子產品被廢棄后，處理不好，其中的Pb最終會析出進入到環(huán)境中，從而對人類生存環(huán)境造成污染，并對生命健康構成威脅。鉛對嬰幼兒的危害非常大，嚴重影響其智力和身體正常發(fā)育，會造成代謝和神經系統(tǒng)紊亂，因鉛中毒致死、致殘(智能和行為)

19、、致胎兒畸變和智能低下等現(xiàn)象頻頻發(fā)生1-5。因此，為了保護環(huán)境和人類自身，含鉛物質污染問題已經受到人們的高度重視，并通過建立立法來限制使用鉛6,7。90年代后期各發(fā)達國家相繼出臺了一系列的政策和法規(guī)，限制和禁止含Pb產品的使用。如歐盟將從2006年7月1日起強制實施在微電子組裝工業(yè)中禁止使用Pb等有害物質的法規(guī)；美國國會早在1986年就通過了在供水與食品相關的場合限制使用含Pb焊料的法規(guī)，自1990年起，美國國會已多次討論全面禁止使用含Pb焊料的立法問題，1991年，里德法律S3.91提議：限制使用含Pb焊接材料，禁止使用含Pb量高的原料，并限定Pb的含量0.1%. 1993年此提議出臺試行后

20、美國制造業(yè)界反應激烈并百般阻撓，導致這項提議擱淺，但這也只使美國的無鉛化制程的實施推遲到2008年；1998年，日本政府宣布環(huán)保再生的相關法律，同時日本主要電子設備廠商自發(fā)組織并宣告在2001-2002年減少使用含Pb材料。目前日本的一些國際知名企業(yè)如松下電器和日立已研究和開發(fā)出了商用無鉛焊料；我國則在2003年將無鉛電子焊料列入了國家863高科技發(fā)展計劃。由于這些立法和競爭等因素的共同影響，世界各國包括我國用無鉛焊料大規(guī)模取代含Pb焊料將為期不遠。無鉛釬料性能及要求微電子封裝中的釬料合金應具有嚴格的性能要求。一般來講，合金必須滿足電氣性、力學性能和的熔點要求。作為Sn-37Pb釬料的替代品，

21、電子封裝中的無鉛釬料主要性能指標包括:物理性能，如熔點、可焊性、勃度、密度及熱和電性能、抗腐蝕抗氧化性、表面張力、可再修復性、成本等。具體來說，新開發(fā)的無鉛釬料應滿足以下幾個方面的要求：1.環(huán)境友好性。不含有毒有害性的元素，如鉛、鉑、鍋等，不會對人體健康和環(huán)境產生不利的影響。2.適宜的熔點。釬焊材料的熔點應接近Sn-37Pb共晶釬料的熔點(183)，熔化溫度間間越小約好，能與現(xiàn)有的生產設備和生產工藝能夠兼用，并且能夠與現(xiàn)有的助焊劑相匹配。3.良好的潤濕性。對于基板材料或金屬涂層Cu、Ni、Au、Ag等應具有良好的潤濕性能，潤濕性應不低于或等同于錫鉛釬料(15)。因為在電子零件上往往有成百上千個

22、釬焊接頭，如果某一個釬焊焊點因潤濕性差而導致出現(xiàn)虛焊，整個零件將變?yōu)閺U品。其物理性能如電導率、熱導率、熱膨脹數等也應與錫鉛釬料性能相當。4.良好的力學性能。釬焊接頭的力學性能如剪切強度、蠕變抗力、金屬學組織的穩(wěn)定性等都應等同或不低于錫鉛釬料，特別是應具有較好的抗疲勞性能。5.合理的價格和充足的原料供應。新型無鉛釬料的成本價格應低于20美元/Kg，因此其中In的含量應小于1wt。%，Bi含量應小于20wt.%，表1.1為無鉛釬料用金屬相對Pb的市場相對價格。 表1-1無鉛釬料中合金元素的市場相對價格元素PbZnSbCuSnBiInAg相對價格1.32.22.56.47.11942126.循環(huán)利用

23、性能。在滿足使用要求的前提下，合金組元數越少越好，如果釬料合金中包含3種以上金屬元素時，將使再循環(huán)工藝復雜化，增加成本。7.良好的加工性能。易于加工成絲、板、膏等形式，以滿足不同場合的需求。Sn-Zn系無鉛焊料研究現(xiàn)狀圖1-1是由實驗測得的Sn-Zn相圖。該體系為一個典型的簡單二元共晶系，其中兩個端際固溶體的固溶度都極低，共晶點成份/溫度為9 wt% Zn / 198C。圖1-1 Sn-Zn二元合金相圖已經發(fā)現(xiàn)，Sn-9Zn在Cu基上的潤濕性能比純Sn和Sn-Pb都差15，而且也在Sn-Ag-Cu系合金的潤濕性之下。普遍認為Zn的易氧化是導致Sn-Zn合金在Cu基上的潤濕性差的一個重要原因由于

24、Sn-Zn共晶合金的熔點與Sn-Pb共晶的熔點最為接近，可以在基本不改變現(xiàn)有的焊接設備和工藝的情況下進行釬焊，所以Sn-Zn系無鉛焊料受到了人們重視。同時該系合金還具有高抗拉強度、高剪切強度、高蠕變抗力和熱疲勞性能，以及良好的接頭強度，而且成本較低，儲量豐富；另外Zn還是環(huán)境友好型元素，無毒副作用。然而由于鋅的活性大，使得該焊料的潤濕性和耐腐蝕性很差，從而限制了該合金系焊料的廣泛應用。Sn-Zn焊料的潤濕性差主要有兩方面原因即該合金的液態(tài)表面張力大和鋅的強氧化性8。對于Sn-Zn的潤濕性的問題，有研究表明：Sn-9Zn合金對銅的潤濕性可由微合金化來改善：添加Bi1%(質量)、混合輕稀土RE和一

25、種富P的非金屬活性組元(簡稱NM)(注)都分別能使其有明顯改善；以鋪展面積衡量，該研究通過微合金化所達到的最佳改性效果使Sn-9Zn合金對銅的潤濕性由Sn-37Pb焊料潤濕性水平的45.4%提高到了70.3%9。Sn-Zn的亞共晶合金Sn-6.5Zn在保證熔點與Sn-9Zn共晶合金相差不大的情況下?lián)碛懈玫臐櫇裥阅堋D1為各Sn-Zn亞共晶和Sn-Zn共晶的潤濕力的測量數據。導致在Sn-6.5Zn處出現(xiàn)一個峰值的原因可能是兩方面共同作用的綜合結果。其一，由于Zn含量的增加而使過熱度增加，這是有利于潤濕的；另一方面,Zn的增加使得合金的液態(tài)表面張力增加以及鋅的強氧化性，都是對潤濕性極其有害的因素

26、10。Sn-Zn共晶釬料的腐蝕行為進行的研究指出，Sn-Zn共晶釬料的腐蝕為全面腐蝕與局部腐蝕(點蝕)的結合型腐蝕,腐蝕速度較快。并且通過向Sn-Zn共晶釬料中加入微量的稀土元素制得Sn-Zn-RE釬料，經研究分析表明：稀土的介入使得Sn-Zn共晶焊料的耐腐蝕性得到提高，這是因為Sn-Zn-RE中的稀土元素可有效提高Sn-Zn系合金組織及腐蝕產物的致密性，從而提高其耐蝕性,大大降低Sn-Zn合金的腐蝕速度11。另外，RE元素對Sn-Zn共晶焊料的潤濕性也有提高作用12。稀土中Ga元素添加使焊料的熔點降低,熔程增大。且會降低焊料的硬度和剪切強度，但使焊料的鋪展面積增大，浸潤角減小，從而提高了焊料

27、的可焊性13。所以稀土元素能同時提高Sn-Zn共晶焊料的潤濕能力和抗腐蝕性能。這對Sn-Zn合金焊料的應用具有重大的意義。往Sn-Zn合金焊料中添加其它元素如Bi、Ag、Cu、In等的Sn-Zn系焊料也有廣泛的研究。對Sn-Zn-In系焊料進行的研究表明:In對Sn-Zn-In系焊料熔化溫度的影響明顯，而Zn對其影響次之，可以使其熔化溫度范圍在170-200間；Sn-Zn-In系焊料的微觀組織由3相組成，其中富錫相呈現(xiàn)細針狀分布于-Sn基體相中，同時基體上還有富In相，為InSn4金屬化合物；Sn-Zn-In系焊料與銅焊合后的界面主要由Cu基體、-Cu5Zn8和焊料3部分組成，沒有發(fā)現(xiàn)Cu6S

28、n5相或Cu3Sn相；Sn-Zn-In系焊料的剪切強度與傳統(tǒng)錫鉛焊料的相當，隨著鋅含量的增加而增大,當鋅含量超過9%后，剪切強度的增高趨于平緩14。從界面反應和界面張力的角度對Sn-Zn-Bi焊料潤濕性的研究發(fā)現(xiàn):隨Bi含量的提高，焊料的潤濕力提高，潤濕時間縮短。這是因為Bi雖然不參與焊料/Cu界面的擴散反應，但卻降低了焊料/Cu界面的界面張力。Nd也有類似的效果,也是提高Sn-Zn焊料潤濕性能的有效元素15。圖1-2 260下Sn-Zn合金在銅基板上的潤濕力的測試實驗(虛線為每種合金的過熱度)電子封裝中尺寸效應及剪切性能的研究對于尺寸效應的研究20世紀80年代以后,由于納米材料、微電子機械系

29、統(tǒng)(MEMS)、生物芯片等技術的誕生和深入發(fā)展,人類對介于宏觀和微觀之間領域的物質世界的認識迅速豐富起來。形成了微流體力學、納米材料科學、微斷裂力學、微尺度傳熱學以及納米電子學等一系列嶄新的科學體系。這些學科的共同特點是其研究對象都表現(xiàn)出微細尺度下的一些“超?！爆F(xiàn)象，都是以“微尺度效應”為出發(fā)點的。雖然許多現(xiàn)象還需要長期深入的研究探索,但已經展現(xiàn)出良好的理論發(fā)展前景和開發(fā)高新技術產品的巨大潛力,引起了廣泛的關注和極大的研究熱情。有研究者指出，材料性能主要取決于特征長度和尺寸參數（組織微結構）兩個因素。有研究表明16，由于存在尺寸效應，當電子元器件中互連焊點的體積小于10-12m3（大致與直徑和

30、長度均為110m的焊點相當）時，通過體釬料獲取的相應數據應用于微互連焊點時將不在可靠。Sn-Ag-Cu體釬料和微焊點的納米壓痕實驗證明了兩者力學性能明顯不同17。還有一些研究18-22從釬焊冶金反映過程中釬料體積大小和時效時間長短等方面研究了Sn-Pb和Sn-Ag-Cu釬料與Cu，Ni等不同基板材料的界面反應及其導致的一些尺寸效應此外, Sn-Ag-Cu釬料合金蠕變實驗表明, 尺寸效應比較復雜，不同試樣得到的應力指數也不相同。隨著目前全球范圍內無鉛化電子封裝進程的加快，對無鉛釬料，例如替代傳統(tǒng)Sn-Pb釬料的主流無鉛Sn-Ag-Cu系釬料及其微互連焊點力學行為的研究也越來越迫切。對于焊點剪切性

31、能的研究隨著封裝尺寸和節(jié)距的不斷減小，在各種應用過程中可能在焊點中反復產生機械應力和應變。電子設備很容易被跌落，因跌落引起的應力產生的可靠性問題對電子設備內部貼裝的球柵陣列印刷電路板組裝來說十分關鍵。有報道稱，保證產品在機械應力下的可靠性比保證其在熱應力下的可靠性更加重要。因此，微焊點力學性能備受國內外研究學者的關注。王波23研究了回流過程中不同焊點互連高度對焊料層微觀組織、界面金屬間化合物厚度和比例以及焊點力學性能的影響。尹立孟和張新平24研究了當Cu/Sn-3Ag-0.5Cu/Cu焊點互連高度恒定而焊點直徑從475減小至200時，微焊點的抗拉強度和斷裂模式。薛松柏等25人采用微焊點強度測試

32、儀研究了Sn-Pb共晶釬料BGA封裝器件焊點的抗剪強度,并對不同直徑的BGA球焊點的抗剪強度進行了比較。本文研究思路和內容本文研究的目的及意義Sn-Zn系釬料具有較好的綜合性能，是一種有潛力的低熔點、低成本釬料。但是實施無鉛化和開發(fā)Sn-Zn系釬料需要解決一系列的可靠性問題。焊點失效、界面缺陷等問題均有待解決。就目前來說，對于Sn-Zn釬料的研究已經有了一定量得成果，但是對于Sn-Zn焊料與Cu焊盤焊接后的焊點的尺寸效應與剪切性能相對較少。因此本文中采用Sn-9Zn焊料作為研究對象，對不同尺寸的Sn-9Zn/Cu焊點的剪切強度及界面顯微組織進行分析研究，以期得到尺寸效應對Sn-9Zn/Cu焊點

33、的剪切強度及界面顯微組織的影響。本課題主要內容1.研究Sn-9Zn/Cu接頭的剪切強度隨BGA球徑的變化規(guī)律。2.研究尺寸效應對Sn-9Zn/Cu接頭的剪切斷口形貌的影響。3.研究尺寸效應對Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織的影響。Sn-Zn合金的制備及釬焊試驗熔煉前的準備合金原料的準備熔煉合金的原料純度和形狀影響熔煉時間和合金的成分精度，如導電性差，在空氣中易于氧化的合金元素使用粉末狀導致熔煉時間長，浪費能源，應盡可能選擇粒狀。本論文所采用原材料的純度、形狀等特征如表2-1所示。表2-1 熔煉合金的原材料合金元素化學符號原子量熔點純度%形狀錫Sn118.69231.999.9顆粒鋅Zn65.

34、38419.599.99顆粒熔煉釬料合金釬料合金熔煉方法合金熔煉的目的是要獲得符合一定成分要求的合金，為了防止氧化，吸附溶解金屬熔體中的氧化夾雜及吸附其上的氫，上浮至液面進入熔渣中達到除渣除氣。因此在冶煉過程中對覆蓋劑的要求較多，比如：熔點比釬料合金低，密度比釬料合金小，較小的粘度，不含對金屬液體質量有害的雜質及夾雜物。并且為了釬料合金均勻化，需要保持很長的時間。高頻感應加熱器熔煉合金，其原理為高頻大電流流向被繞制成環(huán)狀加熱線圈，在線圈內產生瞬間變化強磁束，將金屬等被加熱物質放置在線圈內，磁束就會貫通整個被加熱物質，在被加熱物質內部與加熱電流相反的方向產生很大的渦電流，由于被加熱物質內的電阻產

35、生焦耳熱，使物質自身溫度迅速上升。在本論文中采用了高頻感應加熱器作為熱源，用石英管作為熔化器皿，再通入惰性氣體進行保護。此方法操作簡單、熱效率高、升溫快、金屬燒損少；加熱過程中在電磁力的作用下，熔融的液態(tài)金屬能夠快速旋轉攪拌，使試樣的成分均勻。釬料合金的熔煉過程在熔煉過程中，為了能使釬料的成分更加均勻，更好地滿足設計需求，本試驗設定了原料添加和裝料順序。具體的熔煉工藝如下：1原料裝填用電子天平將藥品逐一按各種原材料的計算重量稱量準確。先將50%的Sn粒放入石英管中，然后放入Zn粒，之后再將剩下的Sn粒放入石英管中，用Sn粒將其它原料蓋住，這樣在Sn粒熔化后就能把其它原料包裹起來，有利于合金的熔

36、化和擴散。2預通保護氣、冷卻水一般的合金冶煉都采用溶劑保護，熔煉后進行扒渣。為確保合金成分的準確性，避免熔渣帶入雜質，本試驗采用惰性氣體保護(所用參數為：氬氣流量q2.5L/min，氣壓P7MPa)，保護氣應遵循提前送氣，滯后停氣的原則。由于氬氣的比重(1.782kg/m3)大于空氣(1.293kg/m3)，提前送氣能將試管中的空氣排除。在之后的加熱過程中金屬元素就不會發(fā)生氧化。然后啟動高頻加熱機的冷卻水，使感應銅圈在工作過程中保證不升溫過熱。3合金的熔化、擴散啟動高頻感應加熱裝置進行熔煉，高頻感應加熱器如圖2-1所示。 圖2-1 高頻感應加熱器隨著高頻作用時間的增加，到達3分鐘時可以看到合金

37、材料得以熔化。在熔化過程中有很多黑煙冒出。4熔煉結束、獲得鑄錠結束加熱、斷電、感應圈停水，持續(xù)通入氬氣，3分鐘后停止通氣，保證合金在氬氣保護下穩(wěn)定冷卻。再空冷到室溫，輕輕晃動石英管，凝固的合金塊在管底松動，輕輕倒出，即可得到熔煉鑄錠?？梢钥闯鲨T錠表面有一層黑色的氧化膜，使用時將表面鑄錠表面用砂紙打磨。熔球熔煉釬料合金完畢后，需將所制得的焊料合金熔成小球。熔球所用設備如圖2-2所示。圖2-2 大型自動回流焊爐R340C將熔煉好的焊料切成小塊，然后在鋁板上涂抹一層焊膏，將切成塊的焊料放到銅板上，注意不要使焊料粘在一起。在大回流焊爐中，焊料會分別經過四個區(qū)域，分別為預熱區(qū)、保溫區(qū)、回流區(qū)及冷卻區(qū)，整

38、個過程持續(xù)8分11秒，速度（該機器是通過修改變頻器的頻率來實現(xiàn)調節(jié)傳送帶速度，每次變更頻率都可以在控制參數上顯示出運輸的總時間）為9.當整個過程結束時，用鑷子將大回流焊爐中的銅板取出，冷卻后，將小球用鑷子剝下來，將試樣表面上殘留的焊膏清洗干凈。將小球放在盛有無水乙醇溶液的燒杯中，然后再用盛有去離子水的超聲波清洗機中清洗，最后吹干即可。清洗完畢后，將小球晾干，用游標卡尺測量小球直徑，將符合條件的小球整理出來后，放入標有尺寸的塑料小袋中。釬焊試驗釬焊工件表面清理清潔而無氧化物的焊件表面是保證獲得優(yōu)質釬焊接頭的必要條件。由于熔化的釬料不能潤濕未經清理的焊件表面，從而無法填充接頭間隙而獲得良好的釬焊接

39、頭。因此釬焊前有必要仔細的除去工件表面的氧化物、油脂、臟污及油漆。為了使PCB板得到合理的利用，將PCB板切成小塊后，使用超聲清洗機將其清洗干凈。焊球直徑與焊盤直徑如表2-2所示。為了試驗方便，在這里我們取焊球直徑分別為750m、1000m、1300m。表2-2 焊球與焊盤直徑焊盤面積/mm2焊盤周長/mm焊盤直徑/m焊球直徑/m0.08581.00774637700.07-764.40.16251.4619879.8967.8-1055.760.25891.85431110.531221.58-1332.64釬焊本實驗采用小型自動回流焊爐T200+，它是單區(qū)多段式控制，共有40個溫區(qū)，可以根

40、據實際情況選擇設定每段的溫度和持續(xù)時間。通過紅外線與熱風微對流方式加熱，通過軸流風機冷卻。溫度范圍是室溫到300C，如圖2-5。其操作流程如下：溫控準確度為2C。其額定功率為3.7KM，AC單相，額定電壓220V，頻率50KZ。具體實驗步驟如下：1.預熱1).首先將計算機與T200+的通訊端口COM1進行連接，然后安裝應用軟件回流焊機的控制系統(tǒng)2).打開軟件回流焊機控制系統(tǒng)，輸入用戶名和密碼，單擊確定，進入主控制界面。3).選擇主控制界面的儀表設定，通過40段溫區(qū)對回流焊的四個區(qū)的時間和溫度進行設定，點擊打開串口，寫入數據，將已經設定好的參數輸入到電腦中，選擇保存文件，單擊返回到主控制界面。4

41、).單擊聯(lián)機，開始巡檢按鈕，此時回流焊機開始加熱，并且將各段升溫的時間與溫度記錄下來并生成報表。直到停止巡檢時在主控制界面生成由熱電偶測得的實際溫度曲線。溫度曲線可以通過溫度曲線分析功能對曲線進行分析，點擊菜單欄統(tǒng)計下的保存圖像。2.進行試驗取一些PCB板，將PCB板放在無水乙醇中用超聲清洗機清洗，以去除表面的氧化層和污染物，避免干擾試驗結果。然后在焊盤上均勻的涂上一層助焊膏，將計算出尺寸的Sn-9Zn焊球放在對應的焊盤上，仔細調整位置以使其與PCB上的Cu焊盤良好對應。然后重復預熱階段的3)、4)兩步。3.焊接完畢后，用鑷子將已制作好的BGA焊點取出，冷卻后用超聲清洗機清洗表面助焊劑，并用電

42、吹風吹干?；亓骱笝C及所用回流曲線如圖2-3、2-4所示。 圖 2-3 回流焊機 圖2-4 回流焊曲線所有工作完畢后，關閉回流焊機，拔掉電源，釬焊接頭橫截面如圖2-5所示。圖2-5 Solders/Cu釬焊接頭橫截面示意圖釬焊后處理1鑲試樣取PCB板，用砂紙磨出一個平面，然后用膠粘到干凈的平板上。用圓筒形模具套住試樣，并與平板良好接觸，防止在向其中倒入環(huán)氧樹脂時發(fā)生泄漏。將環(huán)氧樹脂與固化劑按3:1均勻混合，倒入圓筒形模具內。靜置12個小時后，環(huán)氧樹脂固化。使其與平板分離，即得到初步試樣。2打磨，拋光取圓柱形試樣，隨后用粗砂紙磨平并露出試樣，在UNIPOL-820型金相研磨拋光機(圖3-1)上先后

43、采用80#、2000#金相水砂紙進行研磨。最后用拋光布進行拋光，微粒尺寸0.05m的金剛石膏劑，拋光過程中需要用顯微鏡觀察一下試樣表面是否仍存在劃痕，直到試樣表面光亮平整無劃痕。若試樣需要進行腐蝕，則拋光結束后即可進行試樣表面的微腐蝕。腐蝕液采用4%硝酸+96%酒精，腐蝕試樣表面510s，用清水沖凈腐蝕液，然后再用酒精清洗表面，電吹風機吹干試樣。實驗所用的UNIPOL-820型金相研磨拋光機如圖2-6所示。圖2-6 UNIPOL-820型金相研磨拋光機本章小結本章重點描述了試驗前期的準備工作，包括釬料的熔煉、熔球、釬焊試驗、鑲試樣等工作。并且對工藝研究中涉及到得實驗方法與設備的介紹。1.熔煉釬

44、料2.熔球 在切割Sn-9Zn焊料前，一定要先將其表面的氧化膜磨掉，防止對后續(xù)實驗的影響。在進行熔球時，要先將大型自動回流焊爐R340C進行預熱，預熱時間為半小時，這樣才能保證熔球時具有足夠的溫度時切好的塊狀Sn-9Zn熔成球。3.釬焊實驗 在進行釬焊實驗時，首先要確定好回流焊曲線。一定要保證BGA球與Cu焊盤能夠良好的對應，不要出現(xiàn)錯位現(xiàn)象。4.釬焊后處理 在打磨、拋光時候，要保證拋光后的試樣表面不存在劃痕，否則將對后續(xù)的界面顯微組織觀察實驗造成影響。剪切強度分析剪切試驗剪切測量方法焊點的剪切實驗采用圖3-1所示的PTR-1100型接合強度測試儀，選用20kg測力傳感器，位移速度選用0.03

45、mm/s。本實驗首先把剪切試樣固定在剪切機上，通過計算機進行參數的設定，傳到剪切機進行試驗。對于每一種尺寸的焊球，以0.03mm/s的速率進行實驗，取其平均值計算平均剪切強度。采用SEM觀察斷口形貌，用EDX確定斷口釬料的成分。PTR-1100剪切強度測試儀的主要工作原理：在試驗時，推刀與焊有BGA焊球的焊盤產生的力通過傳感器傳送到PTR-1100的主機內，再通過數據線傳輸到計算機內的軟件中，可自動繪制成曲線，也可把數據轉換成Excel來進一步處理數據。 圖3-1剪切儀器及剪切實驗過程圖剪切測量原理焊點的剪切強度是評價焊點可靠性最為主要的兩個力學性能指標之一，在大部分情況下，釬料主要承受剪切力

46、，而且釬料的剪切強度往往小于抗拉強度，所以對焊點的剪切強度測試比較科學。對焊點剪切強度本實驗采用PTR-1100型接合強度測試儀進行測量。焊點的剪切強度是以焊點所承受的最大剪切力與焊點的有效承載面積計算。實驗結果取測量的平均值，通過SEM觀察剪切斷面的微觀形貌，通過EDX確定斷面表層的物質成分。焊點的剪切強度采用下式計算： (3-1)式中：為焊點剪切強度（MPa）；F為焊點破壞載荷（N）；A為焊點斷口的實際面積(mm2)。 剪切試驗數據處理及結果分析數據處理表3-1、表3-2是所有焊球剪切實驗所得破壞載荷數據。是剪切數據分析結果。用origin軟件將所得剪切強度數據作圖，如圖3-2所示。表3-

47、1 剪切實驗破壞載荷焊球直徑/m焊點破壞載荷/N1234567891075014.31716.3161718.314.4100030.131.229.830.232.326.532.626.727.334130048.051.249.149.849.843.148.649.151.7表3-2剪切試驗結果焊球直徑/m焊點破壞載荷平均值/N焊點斷口面積/mm2焊點剪切強度/Mpa75016.1860.31950.739100030.070.60849.457130048.930.9650.4988圖3-2剪切結果示意圖結果分析由圖3-2及表3-2可以看出，Sn-9Zn/Cu接頭剪切強度隨BGA球直

48、徑的增大先減小后增大。剪切斷口形貌分析圖3-3到圖3-5是焊球直徑分別為750m、1000m、1300m時，通過SEM所得到的剪切斷口形貌圖。 a）剪切斷口100倍SEM圖 b）剪切斷口1000倍SEM圖圖3-3BGA球直徑為750m時剪切斷口及焊球形貌圖 a)剪切斷口80倍SEM圖 b)剪切斷口1000倍SEM圖圖3-4 BGA球直徑為1000m時剪切斷口及焊球形貌圖 a)剪切斷口80倍SEM圖 b)剪切斷口1000倍SEM圖圖3-5 BGA球直徑為1300m時剪切斷口及焊球形貌圖由圖3-3到3-5可以看出，剪切斷口處得韌窩不是很明顯，經過分析研究，可能此處是焊料，所以我們選其中BGA球徑為

49、d=1000 m的焊點做韌窩的成分分析圖。如圖3-3，是剪切斷口某處韌窩元素含量分析圖。由圖3-3可以得知，區(qū)域A處含有大量的Sn，所以可以得到：該處為焊料合金。由此可以斷定斷口位于焊料處。 圖3-6 BGA球徑為1000m時韌窩的元素含量分析 圖3-7 BGA球徑為1000m時韌窩的元素含量分析由圖3-6對A區(qū)域進行能譜分析，可知該區(qū)域內Sn的含量占很大比例，可以得到剪切斷口位于焊料上。由圖3-7對B區(qū)域進行能譜分析，可知該區(qū)域是化合物，所以可知剪切斷口是位于界面上的。由上述可知，剪切斷口大部分是位于焊料上的，只有少部分是位于接頭界面處的。本章小結1.利用PTR-1100剪切強度測試儀對Sn

50、-9Zn/Cu接頭進行剪切，得到斷口破壞載荷的值，通過計算得到剪切強度，而后利用origin軟件作圖，得到隨BGA球徑的增大，焊點的剪切強度先減小后增大。2.通過掃描電鏡對剪切斷口形貌進行分析，得到大部分的剪切斷口位于釬料上，只有少部分剪切斷口位于接頭界面處。Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織分析儀器介紹金相顯微鏡（OM）簡介金相顯微鏡是將光學顯微鏡技術、光電轉換技術、計算機圖像處理技術完美地結合在一起而開發(fā)研制成的高科技產品，可以在計算機上很方便地觀察金相圖像，從而對金相圖譜進行分析，評級等以及對圖片進行輸出、打印。金相分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一，采用定量金相學原理，由二維金相試樣

51、磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關系。將計算機應用于圖像處理，具有精度高、速度快等優(yōu)點，可以大大提高工作效率。計算機定量金相分析正逐漸成為人們分析研究各種材料，建立材料的顯微組織與各種性能間定量關系，研究材料組織轉變動力學等的有力工具。采用計算機圖像分析系統(tǒng)可以很方便地測出特征物的面積百分數、平均尺寸、平均間距、長寬比等各種參數，然后根據這些參數來確定特征物的三維空間形態(tài)、數量、大小及分布，并與材料的機械性能建立內在聯(lián)系，為更科學地評價材料、合理地使用材料提供可靠的數據。將處理好的金相試樣在Olympus多功能光學金相顯微鏡

52、(圖4-1)觀察組織形貌。圖4-1 Olympus多功能光學金相顯微鏡掃描電鏡（SEM）簡介掃描電子顯微鏡的制造是依據電子與物質的相互作用。當一束高能的人射電子轟擊物質表面時，被激發(fā)的區(qū)域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產生的電磁輻射。同時，也可產生電子-空穴對、晶格振動 (聲子)、電子振蕩 (等離子體)。原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。將剪切后的Sn-9Zn/Cu接頭及鑲好的試樣貼好導電膠并且將要測量的焊點用記號筆標記

53、，放表測量。SEM設備與焊點形貌如圖4-2示。 圖4-2掃描電鏡及焊接接頭界面示意圖Sn-9Zn/Cu接頭界面顯微組織分析金相顯微鏡結果分析圖4-3至圖4-5為焊球直徑為750m、1000m及1300m下Sn-9Zn與銅基板釬焊后的釬焊界面金相圖。 圖4-3 焊球直徑為750m，Sn-9Zn/Cu釬焊界面形貌金相圖 圖4-4焊球直徑為1000m，Sn-9Zn/Cu釬焊界面形貌金相圖 圖4-5焊球直徑為1300m，Sn-9Zn/Cu釬焊界面形貌金相圖為了測出界面反應后IMC層的厚度，本文使用AutoCAD軟件測量IMC層厚度，經過計算后得到IMC層厚度，計算公式如下： (4-1)表4-1是計算I

54、MC層厚度所用到的數據及計算結果。表4-1 IMC層厚度及所用數據BGA球直徑d/m面積S/mm2測量長度L1/mm比例尺長度L2/mm比例尺MIMC層厚度K/m7500.46134.09140.7333203.07510002.94859.20871.0904205.87313000.91354.28740.7006206.082得到IMC層厚度后，用Origin軟件作圖，以BGA球直徑做橫坐標，IMC層厚度為縱坐標繪圖，得到圖4-4所示的IMC層厚度隨BGA球直徑變化的規(guī)律。由圖4-4可知，從總體上看，隨BGA球直徑的增大，IMC層厚度增加。BGA球直徑從750m增加到1000m時，IMC

55、層厚度增大的趨勢很快，當BGA球直徑從1000m增加到1300m時，IMC層厚度增大的趨勢變得緩慢起來。圖4-4焊后IMC層厚度隨焊球直徑變化趨勢圖掃描電鏡結果分析圖4-6到4-8分別是BGA球直徑分別為750m、1000m及1300m下，焊點界面的SEM圖、能譜圖及界面元素分布圖。 a) d=750m界面SEM圖 b) d=750m界面能譜圖C) d=750m界面元素分布圖圖4-6 d=750m焊點界面SEM圖、能譜圖及界面元素分布圖 a) d=1000m界面SEM圖 b) d=1000m界面能譜圖c) d=1000m界面元素分布圖圖4-7 d=1000m焊點界面SEM圖、能譜圖及界面元素分

56、布圖 a) d=1300m界面SEM圖 b) d=1300m界面能譜圖c) d=1300m界面元素分布圖圖4-8 d=1300m焊點界面SEM圖、能譜圖及界面元素分布圖首先，根據圖4-6及數據分析d=750m的焊點。由于線掃描由Cu基板一側開始，因此開始時Cu的成分接近100% wt.%，而Sn、Zn的成分接近0% wt.%。隨著與Cu基板距離的增加，Cu的成分急劇下降，在距Cu板大約16m處達到一個較小的峰值，而后繼續(xù)下降，直至0% wt.%。初始位置時Zn的含量接近于0% wt.%，而后在界面處急劇增加，在距Cu基板大約15m處達到峰值，其后急劇下降直至0% wt.%。由各元素成分可知，在

57、一定的階段內，界面處Cu的含量在38.0wt.%上下波動，Zn的總含量在62.0w.t%上下波動，接近Cu5Zn8相的成分，可確定為Cu5Zn8。另外，由于界面處Cu和Zn的成分一直在波動，而在界面處又不可能單純出現(xiàn)Cu5Zn8這一種化合物，所以我們可以推測還存在某種Cu-Zn化合物。因此，在Sn-9Zn/Cu接頭界面主要存在Cu-Zn化合物、Cu5Zn8，體釬料中還存在富Sn相。且隨著與Cu板距離的增大，依次出現(xiàn)Cu-Zn化合物、Cu5Zn8、富Sn相。d=1000、1300m的焊點界面顯微組織掃描電鏡照片和線掃描圖像的分析結果與d=750m的情況基本相同，出現(xiàn)的相的種類并無變化。由界面元素

58、分布圖可以看出隨BGA球直徑的增大，Sn-9Zn/Cu釬焊界面IMC層的厚度逐漸增大，這與各尺寸BGA球金相分析的結果相一致。但是在圖4-7釬焊界面處存在兩層化合物，在兩層化合物的中間有一極薄的Sn層，經過分析研究，可能是在界面處形成的Cu5Zn8擴散到釬料中的緣故。本章小結1.利用金相顯微鏡及掃描電鏡對Sn-9Zn/Cu接頭界面的觀察，通過金相顯微鏡經AutoCAD測量并且計算得到Sn-9Zn/Cu接頭IMC層厚度，焊后IMC層的厚度從總體上看，隨BGA球直徑的增大，IMC層厚度增加。BGA球直徑從750m增加到1000m時，IMC層厚度增大的趨勢很快，當BGA球直徑從1000m增加到130

59、0m時，IMC層厚度增大的趨勢變得緩慢起來。2. 對于不同尺寸的焊點，界面微觀組織的成分基本相同.顯微組織主要由Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物和富Sn相組成。隨著與Cu基板距離的增大，依次出現(xiàn)Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物、富Sn相，并且各相在一定范圍內共同存在。結論本論文以Sn-9Zn釬料與Cu基板的焊接結構為研究對象，采用OM、SEM、和EDS等手段對Sn-9Zn/Cu界面顯微組織及剪切性能進行分析研究，得出了以下結論：1剪切試驗中，隨焊球直徑的增大，釬焊接頭的剪切強度呈V字型變化，即先減小后增大。并且通過對剪切斷口的SEM進行觀察可以得到大部分剪切斷口大部分位于釬料上，少部分

60、位于界面。2對于不同尺寸的焊點，界面微觀組織的成分基本相同.顯微組織主要由Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物和富Sn相組成。隨著與Cu基板距離的增大，依次出現(xiàn)Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物、富Sn相，并且各相在一定范圍內共同存在。3對釬焊接頭進行金相觀察，并且分析計算后得到結果，焊后IMC層的厚度從總體上看，隨BGA球直徑的增大，IMC層厚度增加。BGA球直徑從750m增加到1000m時，IMC層厚度增大的趨勢很快，當BGA球直徑從1000m增加到1300m時，IMC層厚度增大的趨勢變得緩慢起來。致謝本文的研究工作是在孟工戈老師精心指導和悉心關懷下完成的。孟老師淵博的知識、嚴謹的治學態(tài)