Sn-ZnCu焊点剪切强度与界面显微组织分析毕业论文.doc

Sn-Zn/Cu焊点剪切强度与界面显微组织分析摘要由于含铅物质对人体和环境的危害，钎料无铅化已成为电子封装连接材料发展的必然从熔点、毒性、资源和价格来看，Sn-Zn系无铅焊料是最佳选择目前针对其润湿性、耐蚀性及疲劳性差等问题的研究已取得了很大进步Sn-Zn系列仍是现在正在研制的各种无铅焊料中最有前途的一种目前，对Sn-Zn系焊料的剪切性能及界面显微组织的研究相对来说还比较少，所以本文以Sn-9Zn钎料与Cu基板的焊接结构作为研究对象，以剪切机、扫描电镜和金相显微镜等手段对Sn-9Zn/Cu钎焊接头（焊球直径分别为750μm、1000μm、1300μm）的剪切强度和界面显微组织进行分析研究，得出以下结论：随焊球直径的增大，Sn-9Zn/Cu钎焊接头剪切强度呈V字形变化，先减小后增大在对剪切断口形貌的观察上，分析得出随焊球直径的增大，界面处韧窝由密而深变得疏而浅，并且断口位于焊料上在对界面显微组织进行观察时，从总体上看，随BGA球直径的增大，IMC层厚度增加BGA球直径从750μm增加到1000μm时，IMC层厚度增大的趋势很快，当BGA球直径从1000μm增加到1300μm时，IMC层厚度增大的趋势变得缓慢起来。

对于不同尺寸的焊点，界面微观组织的成分基本相同.显微组织主要由Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物和富Sn相组成随着与Cu基板距离的增大，依次出现Cu-Zn化合物、Cu5Zn8化合物、富Sn相，并且各相在一定范围内共同存在关键词 无铅钎料;Sn-9Zn;尺寸效应;剪切强度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 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 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 Sn-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 750μm、1000μm、1300μm),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 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 follows: 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 1000μm, 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 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；Sn-9Zn; size effect; shear strength- III -目录摘要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 无铅焊料发展的必然性 11.2 无铅钎料性能及要求 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 112.5 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 本章小结 25结论 26致谢 27参考文献 28附录A 30附录B 37- V -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的含量应小于1wtBi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PbZnSbCuSnBiInAg相对价格1.32.22.56.47.1194。