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随着微电子表面组装技术(SMT)的迅速发展和电子产品无铅化的观念被大众所普遍接受,当今世界上正在掀起“无铅化的浪潮”。无铅钎料的润湿特性对微电子封装和组装元器件和产品的可靠性及质量至关重要,已成为近年来无铅微连接领域研究的热点之一。但迄今为止,对SnAgCuRE系钎料合金的润湿特性研究还少见文献报道,已成为该新型无铅钎料在研发应用中亟待解决的问题。开展相关方面的研究对我国独具特色的SnAgCuRE系无铅钎料合金的研制、应用及相应提高电子产品的焊接质量有十分重要的意义。
本文采用真空熔炼技术制备SnAgCuRE系钎料合金,对其力学及物理性能进行了系统的实验测量,且采用润湿平衡法研究了该钎料合金对贴装元器件及其在紫铜板(模拟电路焊盘)上的润湿特性,研究该钎料合金系与几种较典型的钎剂的适配性及最佳的工艺参数,并在进行成分优选的基础上,对基于该钎料合金的钎焊接头的组织与性能进行了观察和试验,这有助于加快SnAgCuRE系钎料合金的推广应用。
研究结果表明,钎料中的共晶组织比例会随着Ag含量的增大而增多,微量的RE元素有利于富Sn相的细化,从而提高了钎料的力学性能,但添加过量RE会产生脆硬的稀土化合物相,导致延伸率和电导率性能下降。SnAgCuRE系钎料合金成分的变化对紫铜板和贴片元器件具有相同的润湿规律,随着Ag含量的增加和适量RE的加入,SnAgCuRE系钎料合金在紫铜板上的铺展面积和在贴装元器件上的润湿力均呈现增大的趋势,且其最佳成分均为Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE,此时,该钎料合金的铺展面积可达到SnPb的83.3%;水洗钎剂和免清洗钎剂与SnAgCuRE系钎料合金的适配性较好;采用水洗钎剂时,在预热时间15s、钎焊温度255℃和钎焊时间5s的工艺条件下Sn2.5Ag0.7℃u0.1RE钎料合金可获得最大的润湿力1.5mN,能够实现对贴装元器件的润湿,但RE添加量过高时,润湿效果反而下降。在Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎焊接头中,钎料合金与Cu板间IMC层的厚度最小,使得钎料的剪切强度在此时达到峰值,但过量RE的加入由于会引起润湿性的下降,导致界面处出现较多的缺陷,因而剪切强度降低。
因此,综合考虑,Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金综合性能优良,具有深入研究开发的价值。