1、 - I -核准通过，归档资料。未经允许，请勿外传！9JWKffwvG#tYM*JgSn-9Zn;尺寸效应;剪切强度- III -Shear strength and interface microstructure analysis of Sn-Zn/Cu solder jointsAbstractBecause of lead materials is harmful to human body and the environment, the connection materials which is used for electronic packaging has become a
2、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 much progress in wettability stain resistance and bad fatigability. Sn-Zn solder which comparied wi
3、th 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 Sn-9Zn solder and Cu substrate welding structure, using cutting machine, scanning electron microcopy
4、 and metallographic microscope to study Sn-9Zn/Cu brazed joint (the diameter of the soldered ball is 750m、1000m 、1300 m),including the shear strength and interface microscopic structure, the conclusions are as follows:with the increase of the diameter of solder ball, the increase trend of shear stre
5、ngth 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 follows: with the increase of the diameter of solder ball, the dimple which is close and deep becomes t
6、hin 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, the ingredients of the interface microstructure is the same. The component of the microstructure i
7、s Cu- Zn compounds、 - IV -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；Sn-9Zn; size effect; shear strength- V -目录摘要 .IAbstractII第 1 章 绪论 11.1 无铅焊料发展的必然性 .11.2 无铅钎
8、料性能及要求 .11.3 Sn-Zn 系无铅焊料研究现状 .21.4 电子封装中尺寸效应及剪切性能的研究 .51.4.1 对于尺寸效应的研究 51.4.2 对于焊点剪切性能的研究 51.5 本文研究思路和内容 .61.5.1 本文研究的目的及意义 61.5.2 本课题主要内容 6第 2 章 Sn-Zn 合金的制备及钎焊试验 .72.1 熔炼前的准备 .72.1.1 合金原料的准备 72.2 熔炼钎料合金 .72.2.1 钎料合金熔炼方法 72.2.2 钎料合金的熔炼过程 82.3 熔球 .92.4 钎焊试验 .92.4.1 钎焊工件表面清理 92.4.2 钎焊 102.4.3 钎焊后处理 11
9、2.5 本章小结 .12第 3 章 剪切强度分析 133.1 剪切试验 .133.1.1 剪切测量方法 133.1.2 剪切测量原理 133.2 剪切试验数据处理及结果分析 .143.2.1 数据处理 143.2.2 结果分析 153.2.3 剪切断口形貌分析 153.3 本章小结 .17- VI -第 4 章 Sn-9Zn/Cu 接头界面显微组织分析 .184.1 仪器介绍 .184.1.1 金相显微镜（OM）简介 184.1.2 扫描电镜（SEM ）简介 184.2 Sn-9Zn/Cu 接头界面显微组织分析 .194.2.1 金相显微镜结果分析 194.2.2 扫描电镜结果分析 214.3
10、 本章小结 .25结论 26致谢 27参考文献 28附录 A 30附录 B 37- 1 -第 1 章 绪论1.1 无铅焊料发展的必然性传统焊接使用 Sn-Pb 焊料，其中 Sn 和 Pb 的质量百分含量分别为 63%和 37%，共晶温度是 183，过去一直在电子部件装配中占主导地位。当今社会电子产品更新速度快，微电子产品正向微型化和高性能方向发展，电子产品的体积在逐渐变小，而要承受的电学、热学和力学负荷却在加重，对产品可靠性的要求越来越高。众所周知铅及含铅化合物都是有毒物质，电子产品被废弃后，处理不好，其中的 Pb 最终会析出进入到环境中，从而对人类生存环境造成污染，并对生命健康构成威胁。铅对
11、婴幼儿的危害非常大，严重影响其智力和身体正常发育，会造成代谢和神经系统紊乱，因铅中毒致死、致残(智能和行为)、致胎儿畸变和智能低下等现象频频发生 1-5。因此，为了保护环境和人类自身，含铅物质污染问题已经受到人们的高度重视，并通过建立立法来限制使用铅 6,7。90 年代后期各发达国家相继出台了一系列的政策和法规，限制和禁止含 Pb 产品的使用。如欧盟将从 2006 年 7 月 1 日起强制实施在微电子组装工业中禁止使用 Pb 等有害物质的法规；美国国会早在 1986 年就通过了在供水与食品相关的场合限制使用含 Pb 焊料的法规，自 1990 年起，美国国会已多次讨论全面禁止使用含 Pb 焊料的
12、立法问题， 1991 年，里德法律S3.91 提议：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 年此提议出台试行后美国制造业界反应激烈并百般阻挠，导致这项提议搁浅，但这也只使美国的无铅化制程的实施推迟到2008 年；1998 年，日本政府宣布环保再生的相关法律，同时日本主要电子设备厂商自发组织并宣告在 2001-2002 年减少使用含 Pb 材料。目前日本的一些国际知名企业如松下电器和日立已研究和开发出了商用无铅焊料；我国则在 2003 年将无铅电子焊料列入了国家 863 高科技发展计划。由于这些立法和竞争等因素的共同影响，世界各国包括
13、我国用无铅焊料大规模取代含 Pb 焊料将为期不远。1.2 无铅钎料性能及要求微电子封装中的钎料合金应具有严格的性能要求。一般来讲，合金必须满足电气性、力学性能和的熔点要求。作为 Sn-37Pb 钎料的替代品，电子封装中的无铅钎料主要性能指标包括:物理性能，如熔点、可焊性、勃度、密度及热和电性能、抗腐蚀抗氧化性、表面张力、可再修复性、成本等。- 2 -具体来说，新开发的无铅钎料应满足以下几个方面的要求：1.环境友好性。不含有毒有害性的元素，如铅、铂、锅等，不会对人体健康和环境产生不利的影响。2.适宜的熔点。钎焊材料的熔点应接近 Sn-37Pb 共晶钎料的熔点(183)，熔化温度间间越小约好，能与
14、现有的生产设备和生产工艺能够兼用，并且能够与现有的助焊剂相匹配。3.良好的润湿性。对于基板材料或金属涂层 Cu、Ni、Au 、Ag 等应具有良好的润湿性能，润湿性应不低于或等同于锡铅钎料(15) 。因为在电子零件上往往有成百上千个钎焊接头，如果某一个钎焊焊点因润湿性差而导致出现虚焊，整个零件将变为废品。其物理性能如电导率、热导率、热膨胀数等也应与锡铅钎料性能相当。4.良好的力学性能。钎焊接头的力学性能如剪切强度、蠕变抗力、金属学组织的稳定性等都应等同或不低于锡铅钎料，特别是应具有较好的抗疲劳性能。5.合理的价格和充足的原料供应。新型无铅钎料的成本价格应低于 20美元/Kg，因此其中 In 的含
15、量应小于 1wt。%，Bi 含量应小于 20wt.%，表1.1 为无铅钎料用金属相对 Pb 的市场相对价格。 表 1-1 无铅钎料中合金元素的市场相对价格元素 Pb Zn Sb Cu Sn Bi In Ag相对价格 1.3 2.2 2.5 6.4 7.1 194 2126.循环利用性能。在满足使用要求的前提下，合金组元数越少越好，如果钎料合金中包含 3 种以上金属元素时，将使再循环工艺复杂化，增加成本。7.良好的加工性能。易于加工成丝、板、膏等形式，以满足不同场合的需求。1.3 Sn-Zn 系无铅焊料研究现状图 1-1 是由实验测得的 Sn-Zn 相图。该体系为一个典型的简单二元共晶系，其中两
16、个端际固溶体的固溶度都极低，共晶点成份/温度为 9 wt% Zn / 198C。- 3 -图 1-1 Sn-Zn 二元合金相图已经发现，Sn-9Zn 在 Cu 基上的润湿性能比纯 Sn 和 Sn-Pb 都差 15，而且也在 Sn-Ag-Cu 系合金的润湿性之下。普遍认为 Zn 的易氧化是导致Sn-Zn 合金在 Cu 基上的润湿性差的一个重要原因由于Sn-Zn共晶合金的熔点与Sn-Pb共晶的熔点最为接近，可以在基本不改变现有的焊接设备和工艺的情况下进行钎焊，所以Sn-Zn系无铅焊料受到了人们重视。同时该系合金还具有高抗拉强度、高剪切强度、高蠕变抗力和热疲劳性能，以及良好的接头强度，而且成本较低，
17、储量丰富；另外Zn还是环境友好型元素，无毒副作用。然而由于锌的活性大，使得该焊料的润湿性和耐腐蚀性很差，从而限制了该合金系焊料的广泛应用。Sn-Zn焊料的润湿性差主要有两方面原因即该合金的液态表面张力大和锌的强氧化性 8。对于 Sn-Zn的润湿性的问题，有研究表明：Sn-9Zn合金对铜的润湿性可由微合金化来改善：添加Bi1%(质量)、混合轻稀土RE 和一种富P的非金属活性组元( 简称NM)(注)都分别能使其有明显改善；以铺展面积衡量，该研究通过微合金化所达到的最佳改性效果使Sn-9Zn合金对铜的润湿性由Sn-37Pb焊料润湿性水平的 45.4%提高到了70.3% 9。Sn-Zn的亚共晶合金Sn
18、-6.5Zn在保证熔点与Sn-9Zn共晶合金相差不大的情况下拥有更好的润湿性能。图1为各Sn-Zn亚共晶和Sn-Zn共晶的润湿力的测量数据。导致在Sn-6.5Zn处出现一个峰值的原因可能是两方面共同作用的综合结果。其一，由于Zn含量的增加而使过热度增加，这是有利于润湿的；另一方面,Zn的增加使得合金的液态表面张力增加以及锌的强氧化性，都是对润湿性极其有害的因素10。 Sn-Zn共晶钎料的腐蚀行为进行的研究指出，Sn-Zn共晶钎料的腐蚀为全面腐蚀与局部腐蚀(点蚀)的结合型腐蚀,腐蚀速度较快。并且通过向Sn- 4 -Zn共晶钎料中加入微量的稀土元素制得Sn-Zn-RE钎料，经研究分析表明：稀土的介
19、入使得Sn-Zn共晶焊料的耐腐蚀性得到提高，这是因为Sn-Zn-RE中的稀土元素可有效提高Sn-Zn系合金组织及腐蚀产物的致密性，从而提高其耐蚀性,大大降低Sn-Zn合金的腐蚀速度 11。另外，RE元素对Sn-Zn共晶焊料的润湿性也有提高作用 12。稀土中Ga元素添加使焊料的熔点降低,熔程增大。且会降低焊料的硬度和剪切强度，但使焊料的铺展面积增大，浸润角减小，从而提高了焊料的可焊性 13。所以稀土元素能同时提高Sn-Zn共晶焊料的润湿能力和抗腐蚀性能。这对Sn-Zn 合金焊料的应用具有重大的意义。往Sn-Zn合金焊料中添加其它元素如Bi、Ag、Cu、In等的Sn-Zn系焊料也有广泛的研究。对S
20、n-Zn-In系焊料进行的研究表明:In对Sn-Zn-In系焊料熔化温度的影响明显，而Zn对其影响次之，可以使其熔化温度范围在 170-200间；Sn-Zn-In 系焊料的微观组织由3相组成，其中富锡相呈现细针状分布于-Sn基体相中，同时基体上还有富In相，为 InSn4金属化合物；Sn-Zn-In系焊料与铜焊合后的界面主要由Cu基体、 -Cu5Zn8和焊料3部分组成，没有发现Cu 6Sn5相或Cu 3Sn相；Sn-Zn-In系焊料的剪切强度与传统锡铅焊料的相当，随着锌含量的增加而增大,当锌含量超过9%后，剪切强度的增高趋于平缓 14。从界面反应和界面张力的角度对Sn-Zn-Bi焊料润湿性的研
21、究发现: 随Bi含量的提高，焊料的润湿力提高，润湿时间缩短。这是因为Bi虽然不参与焊料/Cu界面的扩散反应，但却降低了焊料 /Cu界面的界面张力。Nd也有类似的效果,也是提高Sn-Zn焊料润湿性能的有效元素 15。图 1-2 260下 Sn-Zn 合金在铜基板上的润湿力的测试实验(虚线为每种合金的过热度)- 5 -1.4 电子封装中尺寸效应及剪切性能的研究1.4.1 对于尺寸效应的研究20 世纪 80 年代以后,由于纳米材料、微电子机械系统(MEMS)、生物芯片等技术的诞生和深入发展,人类对介于宏观和微观之间领域的物质世界的认识迅速丰富起来。形成了微流体力学、纳米材料科学、微断裂力学、微尺度传
22、热学以及纳米电子学等一系列崭新的科学体系。这些学科的共同特点是其研究对象都表现出微细尺度下的一些“超常”现象，都是以“微尺度效应”为出发点的。虽然许多现象还需要长期深入的研究探索,但已经展现出良好的理论发展前景和开发高新技术产品的巨大潜力,引起了广泛的关注和极大的研究热情。有研究者指出，材料性能主要取决于特征长度和尺寸参数（组织微结构）两个因素。有研究表明 16，由于存在尺寸效应，当电子元器件中互连焊点的体积小于10 -12m3（大致与直径和长度均为110m的焊点相当）时，通过体钎料获取的相应数据应用于微互连焊点时将不在可靠。Sn-Ag-Cu体钎料和微焊点的纳米压痕实验证明了两者力学性能明显不
23、同 17。还有一些研究 18-22从钎焊冶金反映过程中钎料体积大小和时效时间长短等方面研究了Sn-Pb 和Sn-Ag-Cu钎料与 Cu，Ni等不同基板材料的界面反应及其导致的一些尺寸效应此外, Sn-Ag-Cu钎料合金蠕变实验表明 , 尺寸效应比较复杂，不同试样得到的应力指数也不相同。随着目前全球范围内无铅化电子封装进程的加快，对无铅钎料，例如替代传统Sn-Pb钎料的主流无铅Sn-Ag-Cu系钎料及其微互连焊点力学行为的研究也越来越迫切。1.4.2 对于焊点剪切性能的研究随着封装尺寸和节距的不断减小，在各种应用过程中可能在焊点中反复产生机械应力和应变。电子设备很容易被跌落，因跌落引起的应力产生
24、的可靠性问题对电子设备内部贴装的球栅阵列印刷电路板组装来说十分关键。有报道称，保证产品在机械应力下的可靠性比保证其在热应力下的可靠性更加重要。因此，微焊点力学性能备受国内外研究学者的关注。王波 23研究了回流过程中不同焊点互连高度对焊料层微观组织、界面金属间化合物厚度和比例以及焊点力学性能的影响。尹立孟和张新平 24研究了当 Cu/Sn-3Ag-0.5Cu/Cu 焊点互连高度恒定而焊点直径从 475 减小至 200 时，微焊点的抗拉强度和断裂模式。薛松柏等 25人采用微焊点强度测试仪研究了 Sn-Pb 共晶钎料 BGA 封装器件焊点的抗剪强度,并对不同直径的 BGA 球焊点的抗剪强度进行了比较
25、。- 6 -1.5 本文研究思路和内容1.5.1 本文研究的目的及意义Sn-Zn 系钎料具有较好的综合性能，是一种有潜力的低熔点、低成本钎料。但是实施无铅化和开发 Sn-Zn 系钎料需要解决一系列的可靠性问题。焊点失效、界面缺陷等问题均有待解决。就目前来说，对于 Sn-Zn 钎料的研究已经有了一定量得成果，但是对于 Sn-Zn 焊料与 Cu 焊盘焊接后的焊点的尺寸效应与剪切性能相对较少。因此本文中采用 Sn-9Zn 焊料作为研究对象，对不同尺寸的 Sn-9Zn/Cu 焊点的剪切强度及界面显微组织进行分析研究，以期得到尺寸效应对 Sn-9Zn/Cu 焊点的剪切强度及界面显微组织的影响。1.5.2
26、 本课题主要内容1.研究 Sn-9Zn/Cu 接头的剪切强度随 BGA 球径的变化规律。2.研究尺寸效应对 Sn-9Zn/Cu 接头的剪切断口形貌的影响。3.研究尺寸效应对 Sn-9Zn/Cu 接头界面显微组织的影响。- 7 -第 2 章 Sn-Zn 合金的制备及钎焊试验2.1 熔炼前的准备2.1.1 合金原料的准备熔炼合金的原料纯度和形状影响熔炼时间和合金的成分精度，如导电性差，在空气中易于氧化的合金元素使用粉末状导致熔炼时间长，浪费能源，应尽可能选择粒状。本论文所采用原材料的纯度、形状等特征如表2-1所示。表 2-1 熔炼合金的原材料合金元素 化学符号 原子量 熔点 纯度% 形状锡 Sn
27、118.69 231.9 99.9 颗粒锌 Zn 65.38 419.5 99.99 颗粒2.2 熔炼钎料合金2.2.1 钎料合金熔炼方法合金熔炼的目的是要获得符合一定成分要求的合金，为了防止氧化，吸附溶解金属熔体中的氧化夹杂及吸附其上的氢，上浮至液面进入熔渣中达到除渣除气。因此在冶炼过程中对覆盖剂的要求较多，比如：熔点比钎料合金低，密度比钎料合金小，较小的粘度，不含对金属液体质量有害的杂质及夹杂物。并且为了钎料合金均匀化，需要保持很长的时间。高频感应加热器熔炼合金，其原理为高频大电流流向被绕制成环状加热线圈，在线圈内产生瞬间变化强磁束，将金属等被加热物质放置在线圈内，磁束就会贯通整个被加热物
28、质，在被加热物质内部与加热电流相反的方向产生很大的涡电流，由于被加热物质内的电阻产生焦耳热，使物质自身温度迅速上升。在本论文中采用了高频感应加热器作为热源，用石英管作为熔化器皿，再通入惰性气体进行保护。此方法操作简单、热效率高、升温快、金属烧损少；加热过程中在电磁力的作用下，熔融的液态金属能够快速旋转搅拌，使试样的成分均匀。- 8 -2.2.2 钎料合金的熔炼过程在熔炼过程中，为了能使钎料的成分更加均匀，更好地满足设计需求，本试验设定了原料添加和装料顺序。具体的熔炼工艺如下：1原料装填用电子天平将药品逐一按各种原材料的计算重量称量准确。先将 50%的 Sn 粒放入石英管中，然后放入 Zn 粒，
29、之后再将剩下的 Sn 粒放入石英管中，用 Sn 粒将其它原料盖住，这样在 Sn 粒熔化后就能把其它原料包裹起来，有利于合金的熔化和扩散。2预通保护气、冷却水一般的合金冶炼都采用溶剂保护，熔炼后进行扒渣。为确保合金成分的准确性，避免熔渣带入杂质，本试验采用惰性气体保护(所用参数为：氩气流量 q2.5L/min，气压 P7MPa)，保护气应遵循提前送气，滞后停气的原则。由于氩气的比重(1.782kg/m 3)大于空气(1.293kg/m 3)，提前送气能将试管中的空气排除。在之后的加热过程中金属元素就不会发生氧化。然后启动高频加热机的冷却水，使感应铜圈在工作过程中保证不升温过热。3合金的熔化、扩散
30、启动高频感应加热装置进行熔炼，高频感应加热器如图 2-1 所示。图 2-1 高频感应加热器随着高频作用时间的增加，到达 3 分钟时可以看到合金材料得以熔化。在熔化过程中有很多黑烟冒出。4熔炼结束、获得铸锭结束加热、断电、感应圈停水，持续通入氩气，3 分钟后停止通气，保证合金在氩气保护下稳定冷却。再空冷到室温，轻轻晃动石英管，凝固的合金块在管底松动，轻轻倒出，即可得到熔炼铸锭。可以看出铸锭表面有一层黑色的氧化膜，使用时将表面铸锭表面用砂纸打磨。- 9 -2.3 熔球熔炼钎料合金完毕后，需将所制得的焊料合金熔成小球。熔球所用设备如图 2-2 所示。图 2-2 大型自动回流焊炉 R340C将熔炼好的
31、焊料切成小块，然后在铝板上涂抹一层焊膏，将切成块的焊料放到铜板上，注意不要使焊料粘在一起。在大回流焊炉中，焊料会分别经过四个区域，分别为预热区、保温区、回流区及冷却区，整个过程持续 8 分 11 秒，速度（该机器是通过修改变频器的频率来实现调节传送带速度，每次变更频率都可以在控制参数上显示出运输的总时间）为 9.当整个过程结束时，用镊子将大回流焊炉中的铜板取出，冷却后，将小球用镊子剥下来，将试样表面上残留的焊膏清洗干净。将小球放在盛有无水乙醇溶液的烧杯中，然后再用盛有去离子水的超声波清洗机中清洗，最后吹干即可。清洗完毕后，将小球晾干，用游标卡尺测量小球直径，将符合条件的小球整理出来后，放入标有
32、尺寸的塑料小袋中。2.4 钎焊试验2.4.1 钎焊工件表面清理清洁而无氧化物的焊件表面是保证获得优质钎焊接头的必要条件。由于熔化的钎料不能润湿未经清理的焊件表面，从而无法填充接头间隙而获得良好的钎焊接头。因此钎焊前有必要仔细的除去工件表面的氧化物、油脂、脏污及油漆。为了使 PCB 板得到合理的利用，将 PCB 板切成小块后，使用超声清洗机将其清洗干净。焊球直径与焊盘直径如表 2-2 所示。- 10 -为了试验方便，在这里我们取焊球直径分别为750m、1000m、1300m。表 2-2 焊球与焊盘直径焊盘面积/mm 2 焊盘周长/mm 焊盘直径/m 焊球直径 /m0.0858 1.00774 6
33、37 700.07-764.40.1625 1.4619 879.8 967.8-1055.760.2589 1.8543 1110.53 1221.58-1332.642.4.2 钎焊本实验采用小型自动回流焊炉T200+ ，它是单区多段式控制，共有 40个温区，可以根据实际情况选择设定每段的温度和持续时间。通过红外线与热风微对流方式加热，通过轴流风机冷却。温度范围是室温到300C，如图2-5 。其操作流程如下：温控准确度为2C。其额定功率为3.7KM，AC 单相，额定电压220V，频率50KZ。具体实验步骤如下：1.预热1).首先将计算机与T200+的通讯端口COM1 进行连接，然后安装应用
34、软件 回流焊机的控制系统2).打开软件 回流焊机控制系统，输入用户名和密码，单击确定，进入主控制界面。3).选择主控制界面的 仪表设定，通过40段温区对回流焊的四个区的时间和温度进行设定，点击打开串口，写入数据，将已经设定好的参数输入到电脑中，选择保存文件，单击返回 到主控制界面。4).单击 联机 ，开始巡检 按钮，此时回流焊机开始加热，并且将各段升温的时间与温度记录下来并生成报表。直到停止巡检时在主控制界面生成由热电偶测得的实际温度曲线。温度曲线可以通过温度曲线分析功能对曲线进行分析，点击菜单栏统计下的保存图像。2.进行试验取一些 PCB 板，将 PCB 板放在无水乙醇中用超声清洗机清洗，以
35、去除表面的氧化层和污染物，避免干扰试验结果。然后在焊盘上均匀的涂上一层助焊膏，将计算出尺寸的 Sn-9Zn 焊球放在对应的焊盘上，仔细调整位置以使其与 PCB 上的 Cu 焊盘良好对应。然后重复预热阶段的 3)、4)两步。3.焊接完毕后，用镊子将已制作好的 BGA 焊点取出，冷却后用超声清洗机清洗表面助焊剂，并用电吹风吹干。回流焊机及所用回流曲线如图 2-3、2-4 所示。- 11 -图 2-3 回流焊机 图 2-4 回流焊曲线所有工作完毕后，关闭回流焊机，拔掉电源，钎焊接头横截面如图 2-5 所示。图 2-5 Solders/Cu 钎焊接头横截面示意图2.4.3 钎焊后处理1镶试样取 PCB
36、 板，用砂纸磨出一个平面，然后用胶粘到干净的平板上。用圆筒形模具套住试样，并与平板良好接触，防止在向其中倒入环氧树脂时发生泄漏。将环氧树脂与固化剂按 3:1 均匀混合，倒入圆筒形模具内。静置 12 个小时后，环氧树脂固化。使其与平板分离，即得到初步试样。2打磨，抛光取圆柱形试样，随后用粗砂纸磨平并露出试样，在 UNIPOL-820 型金相研磨抛光机( 图 3-1)上先后采用 80#、2000#金相水砂纸进行研磨。最后用抛光布进行抛光，微粒尺寸 0.05m 的金刚石膏剂，抛光过程中需要用显微镜观察一下试样表面是否仍存在划痕，直到试样表面光亮平整无划痕。若试样需要进行腐蚀，则抛光结束后即可进行试样
37、表面的微腐蚀。腐蚀液采用 4%硝酸 +96%酒精，腐蚀试样表面 510s，用清水冲净腐蚀液，然后再用酒精清洗表面，电吹风机吹干试样。实验所用的 UNIPOL-820 型金相研磨抛光机如图 2-6 所示。- 12 -图 2-6 UNIPOL-820 型金相研磨抛光机2.5 本章小结本章重点描述了试验前期的准备工作，包括钎料的熔炼、熔球、钎焊试验、镶试样等工作。并且对工艺研究中涉及到得实验方法与设备的介绍。1.熔炼钎料2.熔球 在切割 Sn-9Zn 焊料前，一定要先将其表面的氧化膜磨掉，防止对后续实验的影响。在进行熔球时，要先将大型自动回流焊炉 R340C 进行预热，预热时间为半小时，这样才能保证
38、熔球时具有足够的温度时切好的块状 Sn-9Zn 熔成球。3.钎焊实验 在进行钎焊实验时，首先要确定好回流焊曲线。一定要保证 BGA 球与 Cu 焊盘能够良好的对应，不要出现错位现象。4.钎焊后处理 在打磨、抛光时候，要保证抛光后的试样表面不存在划痕，否则将对后续的界面显微组织观察实验造成影响。- 13 -第 3 章 剪切强度分析3.1 剪切试验3.1.1 剪切测量方法焊点的剪切实验采用图 3-1 所示的 PTR-1100 型接合强度测试仪，选用 20kg 测力传感器，位移速度选用 0.03mm/s。本实验首先把剪切试样固定在剪切机上，通过计算机进行参数的设定，传到剪切机进行试验。对于每一种尺寸
39、的焊球，以 0.03mm/s 的速率进行实验，取其平均值计算平均剪切强度。采用 SEM 观察断口形貌，用 EDX 确定断口钎料的成分。PTR-1100 剪切强度测试仪的主要工作原理：在试验时，推刀与焊有BGA 焊球的焊盘产生的力通过传感器传送到 PTR-1100 的主机内，再通过数据线传输到计算机内的软件中，可自动绘制成曲线，也可把数据转换成Excel 来进一步处理数据。图 3-1 剪切仪器及剪切实验过程图3.1.2 剪切测量原理焊点的剪切强度是评价焊点可靠性最为主要的两个力学性能指标之一，在大部分情况下，钎料主要承受剪切力，而且钎料的剪切强度往往小于抗拉强度，所以对焊点的剪切强度测试比较科学
40、。对焊点剪切强度本实验采用 PTR-1100 型接合强度测试仪进行测量。焊点的剪切强度是以焊点所承受的最大剪切力与焊点的有效承载面积计算。实验结果取测量的平均值，通过 SEM 观察剪切断面的微观形貌，通过 EDX 确定断面表层的物质成分。焊点的剪切强度采用下式计算：(3-1)AF/- 14 -式中： 为焊点剪切强度（MPa）；F 为焊点破坏载荷（ N）；A 为焊点断口的实际面积(mm 2)。 3.2 剪切试验数据处理及结果分析3.2.1 数据处理表 3-1、表 3-2 是所有焊球剪切实验所得破坏载荷数据。是剪切数据分析结果。用 origin 软件将所得剪切强度数据作图，如图 3-2 所示。表
41、3-1 剪切实验破坏载荷焊点破坏载荷/N焊球直径/m1 2 3 4 5 6 7 8 9 10750 14.3 17 16.3 16 17 18.3 14.41000 30.1 31.2 29.8 30.2 32.3 26.5 32.6 26.7 27.3 341300 48.0 51.2 49.1 49.8 49.8 43.1 48.6 49.1 51.7表 3-2 剪切试验结果焊球直径/m 焊点破坏载荷平均值/N焊点断口面积 /mm2焊点剪切强度 /Mpa750 16.186 0.319 50.7391000 30.07 0.608 49.4571300 48.93 0.96 50.4988
42、8090101012013049.49.649.850.50.250.450.650.8 剪切强度/MPa 焊 球 直 径 / m图 3-2 剪切结果示意图- 15 -3.2.2 结果分析由图 3-2 及表 3-2 可以看出，Sn-9Zn/Cu 接头剪切强度随 BGA 球直径的增大先减小后增大。3.2.3 剪切断口形貌分析图 3-3 到图 3-5 是焊球直径分别为 750m、1000m 、1300m 时，通过 SEM 所得到的剪切断口形貌图。a）剪切断口 100 倍 SEM 图 b）剪切断口 1000 倍 SEM 图图 3-3BGA 球直径为 750m 时剪切断口及焊球形貌图a)剪切断口 80
43、 倍 SEM 图 b)剪切断口 1000 倍 SEM 图图 3-4 BGA 球直径为 1000m 时剪切断口及焊球形貌图- 16 -a)剪切断口 80 倍 SEM 图 b)剪切断口 1000 倍 SEM 图图 3-5 BGA 球直径为 1300m 时剪切断口及焊球形貌图由图 3-3 到 3-5 可以看出，剪切断口处得韧窝不是很明显，经过分析研究，可能此处是焊料，所以我们选其中 BGA 球径为 d=1000 m 的焊点做韧窝的成分分析图。如图 3-3，是剪切断口某处韧窝元素含量分析图。由图 3-3 可以得知，区域 A 处含有大量的 Sn，所以可以得到：该处为焊料合金。由此可以断定断口位于焊料处。
44、图 3-6 BGA 球径为 1000m 时韧窝的元素含量分析- 17 -图 3-7 BGA 球径为 1000m 时韧窝的元素含量分析由图 3-6 对 A 区域进行能谱分析，可知该区域内 Sn 的含量占很大比例，可以得到剪切断口位于焊料上。由图 3-7 对 B 区域进行能谱分析，可知该区域是化合物，所以可知剪切断口是位于界面上的。由上述可知，剪切断口大部分是位于焊料上的，只有少部分是位于接头界面处的。3.3 本章小结1.利用 PTR-1100 剪切强度测试仪对 Sn-9Zn/Cu 接头进行剪切，得到断口破坏载荷的值，通过计算得到剪切强度，而后利用 origin 软件作图，得到随 BGA 球径的增
45、大，焊点的剪切强度先减小后增大。2.通过扫描电镜对剪切断口形貌进行分析，得到大部分的剪切断口位于钎料上，只有少部分剪切断口位于接头界面处。- 18 -第 4 章 Sn-9Zn/Cu 接头界面显微组织分析4.1 仪器介绍4.1.1 金相显微镜（OM）简介金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品，可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合
46、金成分、组织和性能间的定量关系。将计算机应用于图像处理，具有精度高、速度快等优点，可以大大提高工作效率。计算机定量金相分析正逐渐成为人们分析研究各种材料，建立材料的显微组织与各种性能间定量关系，研究材料组织转变动力学等的有力工具。采用计算机图像分析系统可以很方便地测出特征物的面积百分数、平均尺寸、平均间距、长宽比等各种参数，然后根据这些参数来确定特征物的三维空间形态、数量、大小及分布，并与材料的机械性能建立内在联系，为更科学地评价材料、合理地使用材料提供可靠的数据。将处理好的金相试样在 Olympus 多功能光学金相显微镜(图 4-1)观察组织形貌。图 4-1 Olympus 多功能光学金相显
47、微镜4.1.2 扫描电镜（SEM）简介扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的人射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征 x 射线和连续谱 X 射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、- 19 -红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动 (声子)、电子振荡 (等离子体)。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。将剪切后的 Sn-9Zn/Cu 接头及镶好的试样贴好导电胶并且将要测量的焊点用记号笔标记，放表测量。SEM 设备与焊点
48、形貌如图 4-2 示。图 4-2 扫描电镜及焊接接头界面示意图4.2 Sn-9Zn/Cu 接头界面显微组织分析4.2.1 金相显微镜结果分析图 4-3 至图 4-5 为焊球直径为 750m、1000m 及 1300m 下 Sn-9Zn与铜基板钎焊后的钎焊界面金相图。图 4-3 焊球直径为 750m，Sn-9Zn/Cu 钎焊界面形貌金相图- 20 -图 4-4 焊球直径为 1000m，Sn-9Zn/Cu 钎焊界面形貌金相图图 4-5 焊球直径为 1300m，Sn-9Zn/Cu 钎焊界面形貌金相图为了测出界面反应后 IMC 层的厚度，本文使用 AutoCAD 软件测量IMC 层厚度，经过计算后得到
49、 IMC 层厚度，计算公式如下：(4-1)21LMSK表 4-1 是计算 IMC 层厚度所用到的数据及计算结果。表 4-1 IMC 层厚度及所用数据BGA 球直径d/m面积 S/mm2 测量长度L1/mm比例尺长度L2/mm比例尺 M IMC 层厚度 K/m750 0.4613 4.0914 0.7333 20 3.0751000 2.9485 9.2087 1.0904 20 5.8731300 0.9135 4.2874 0.7006 20 6.082得到 IMC 层厚度后，用 Origin 软件作图，以 BGA 球直径做横坐标，IMC 层厚度为纵坐标绘图，得到图 4-4 所示的 IMC 层厚度随 BGA 球直径变化的规律。由图 4-4 可知，从总体上看，随 BGA 球直径的增大，IMC层厚度增加。BGA 球直径从 750m 增加到 1000m 时，IMC 层厚度增大的趋势很快，当 BGA 球直径从 1000m 增加到 1300m 时，IMC 层厚度增大的趋势变得缓慢起来。- 21 -80901010
