电子封装用AuSn20共晶焊料的制备及其相关基础研究

【摘要】AuSn20焊料具有良好的热导率、抗疲劳和抗蠕变性能,被广泛应用于高端电子产品的封装。但是常规熔铸法制备的AuSn20共晶焊料极脆,很难加工成为电子封装所需的箔带材。本文作者采用叠层冷轧+合金化退火法制备AuSn20箔带材焊料,利用SEM(EDS)、XRD和DSC等实验手段研究叠轧和退火过程中焊料的组织演变和性能,并制定最佳轧制和退火工艺。根据AuSn20焊料的实际应用情况,采用实验模拟的方法研究AuSn20焊料的焊接性能、焊点的可靠性、以及焊接界面失效的影响因素；结合理论计算和实验验证,探讨AuSn20/Ni(Cu)焊点界面金属间化合物(IMC)层的生长动力学,并在此基础上评估焊点的力学可靠性。本文的主要研究工作及结果如下：(1)采用叠层冷轧复合技术制备Au/Sn复合带,研究叠合层数和轧制工艺对复合带组织、成分和性能的影响。结果表明,当叠合层数为7层时,采用多道次、小道次压下量的轧制工艺可以制备出组织相对均匀、成分和熔点接近Au-Sn共晶合金的复合带。在叠层冷轧过程中,当道次压下量较大(最大道次压下率为47.6%)时,Au层和Sn层发生不均匀变形,Au/Sn复合带中Au含量偏高,熔点上升。当采用小道次压下量(最大道次压下率23.8%)时,Au/Sn复合带变形相对均匀。(2)探讨不同退火工艺下Au/Sn界面扩散机制,并在此基础上优化出实现Au/Sn复合带完全合金化的最佳退火工艺。在退火过程中,Au/Sn界面的AuSn、AuSn2和AuSn4复合IMC层随退火时间延长和退火温度升高而逐渐长大,Au、Sn单质逐渐减小,直至完全反应。理论计算和实验验证表明,AuSn20焊料完全合金化退火的最佳工艺为220℃退火12h。(3)采用回流焊技术制备AuSn20/Cu(Ni)焊点,研究其组织和剪切强度的随钎焊和退火工艺的演变规律,证实焊点的力学可靠性及失效断裂模式与IMC层的厚度和形貌有关。在310℃下钎焊时,AuSn20/Ni焊点界面处形成(Ni,Au)3Sn2IMC层。焊点的室温剪切强度随钎焊时间延长逐渐降低。在120、160和200℃下老化退火时,界面形成(Au,Ni)Sn和(Ni,Au)3Sn2或(Au,Ni)Sn、(Ni,Au)3Sn2和(Ni,Au)3Sn复合IMC层。随退火时间延长和退火温度升高IMC层的厚度逐渐长大,焊点的剪切强度逐渐减小。(4)采用扩散偶方法研究AuSn20/Ni焊接界面的IMC层的生长动力学。实验结果证实：Ni/AuSn20/Ni焊接界面的IMC层生长均符合扩散机制,其厚度l变化遵循公式：l=k(t/t0)n。在120、160和200℃下退火时,AuSn20/Ni界面复合IMC层的生长比例系数k分别为5.71×10-10m、3.24×10-9m和1.34×10-8m,时间指数n分别为0.514、0.471和0.459。在不同退火温度中焊接界面IMC层的生长均以体积扩散为主。(5)Cu/AuSn20/Ni焊点在钎焊和退火过程中的耦合界面反应使焊点的组织和性能发生变化。在310℃下钎焊时,在Cu/AuSn20界面形成胞状ζ-(Au,Cu)5Sn层,在AuSn20/Ni界面形成(Ni,Au,Cu)3Sn2四元IMC层。Cu/AuSn20界面的Cu原子在钎焊过程中穿过焊料到达AuSn20/Ni界面参与耦合反应。IMC层生长动力学数据表明Cu的耦合对Ni-Sn化合物的生长起抑制作用。焊点的剪切强度随钎焊时间的延长呈先增大后减小的趋势。在退火过程中Cu/AuSn20界面形成AuCu和Au(Cu,Sn)复合IMC层,以体积扩散机制随钎焊时间逐渐生长,而AuSn20/Ni界面的(Ni,Au,Cu)3Sn2层以反应扩散机制生长。剪切强度随老化退火时间的延长逐渐下降,剪切断裂随焊料/Cu界面的IMC层厚度的增大逐渐往Cu界面迁移,在Cu侧IMC层内发生脆性断裂。
【作者】韦小凤；
【导师】王日初；
【作者基本信息】中南大学，材料科学与工程，2014，博士
【关键词】AuSn20焊料；叠层冷轧-合金化退火法；金属间化合物(IMC)；生长动力学；耦合界面反应；

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