電子封裝用AuSn20共晶焊料的制備及其相關基礎研究.pdf

1、AuSn20焊料具有良好的熱導率、抗疲勞和抗蠕變性能，被廣泛應用于高端電子產品的封裝。但是常規(guī)熔鑄法制備的AuSn20共晶焊料極脆，很難加工成為電子封裝所需的箔帶材。本文作者采用疊層冷軋+合金化退火法制備AuSn20箔帶材焊料，利用SEM(EDS)、XRD和DSC等實驗手段研究疊軋和退火過程中焊料的組織演變和性能，并制定最佳軋制和退火工藝。根據AuSn20焊料的實際應用情況，采用實驗模擬的方法研究AuSn20焊料的焊接性能、焊點的可靠性

2、、以及焊接界面失效的影響因素;結合理論計算和實驗驗證，探討AuSn20/Ni(Cu)焊點界面金屬間化合物(IMC)層的生長動力學，并在此基礎上評估焊點的力學可靠性。本文的主要研究工作及結果如下:
　　(1)采用疊層冷軋復合技術制備Au/Sn復合帶，研究疊合層數(shù)和軋制工藝對復合帶組織、成分和性能的影響。結果表明，當疊合層數(shù)為7層時，采用多道次、小道次壓下量的軋制工藝可以制備出組織相對均勻、成分和熔點接近Au-Sn共晶合金的復合帶。在

3、疊層冷軋過程中，當?shù)来螇合铝枯^大（最大道次壓下率為47.6％）時，Au層和Sn層發(fā)生不均勻變形，Au/Sn復合帶中Au含量偏高，熔點上升。當采用小道次壓下量(最大道次壓下率23.8％)時，Au/Sn復合帶變形相對均勻。
　　(2)探討不同退火工藝下Au/Sn界面擴散機制，并在此基礎上優(yōu)化出實現(xiàn)Au/Sn復合帶完全合金化的最佳退火工藝。在退火過程中，Au/Sn界面的AuSn、AuSn2和AuSn4復合IMC層隨退火時間延長和退火溫度

4、升高而逐漸長大，Au、Sn單質逐漸減小，直至完全反應。理論計算和實驗驗證表明，AuSn20焊料完全合金化退火的最佳工藝為220℃退火12h。
　　(3)采用回流焊技術制備AuSn20/Cu(Ni)焊點，研究其組織和剪切強度的隨釬焊和退火工藝的演變規(guī)律，證實焊點的力學可靠性及失效斷裂模式與IMC層的厚度和形貌有關。在310℃下釬焊時，AuSn20/Ni焊點界面處形成(Ni，Au)3Sn2 IMC層。焊點的室溫剪切強度隨釬焊時間延長逐

5、漸降低。在120、160和200℃下老化退火時，界面形成(Au，Ni)Sn和(Ni，Au)3Sn2或(Au，Ni)Sn、（Ni，Au)3Sn2和（Ni，Au)3Sn復合IMC層。隨退火時間延長和退火溫度升高IMC層的厚度逐漸長大，焊點的剪切強度逐漸減小。
　　(4)采用擴散偶方法研究AuSn20/Ni焊接界面的IMC層的生長動力學。實驗結果證實:Ni/AuSn20/Ni焊接界面的IMC層生長均符合擴散機制，其厚度l變化遵循公式:l

6、=k(t/t0)n。在120、160和200℃下退火時，AuSn20/Ni界面復合IMC層的生長比例系數(shù)k分別為5.71×10-10m、3.24×10-9m和1.34×10-8m，時間指數(shù)n分別為0.514、0.471和0.459。在不同退火溫度中焊接界面IMC層的生長均以體積擴散為主。
　　(5) Cu/AuSn20/Ni焊點在釬焊和退火過程中的耦合界面反應使焊點的組織和性能發(fā)生變化。在310℃下釬焊時，在Cu/AuSn20界面

7、形成胞狀ζ-(Au，Cu)5Sn層，在AuSn20/Ni界面形成(Ni，Au，Cu)3Sn2四元IMC層。Cu/AuSn20界面的Cu原子在釬焊過程中穿過焊料到達AuSn20/Ni界面參與耦合反應。IMC層生長動力學數(shù)據表明Cu的耦合對Ni-Sn化合物的生長起抑制作用。焊點的剪切強度隨釬焊時間的延長呈先增大后減小的趨勢。在退火過程中Cu/AuSn20界面形成AuCu和Au(Cu，Sn)復合IMC層，以體積擴散機制隨釬焊時間逐漸生長，而A