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锌合金化对低银含量SnAgCu焊点微观结构和性能的影响

期刊:Journal of Alloys and CompoundsDOI:10.1016/j.jallcom.2015.09.033

本文档属于类型a,即单篇原创研究论文。以下是对该研究的学术报告:

研究作者及机构

本研究的主要作者包括A.A. El-Daly、H. El-Hosainy、T.A. Elmosalami和W.M. Desoky,他们分别来自埃及Zagazig大学的物理系和纳米技术中心。该研究发表于2015年9月的《Journal of Alloys and Compounds》期刊上。

学术背景

本研究的主要科学领域是电子工业中的无铅焊料(lead-free solders)。由于铅基焊料(Pb-Sn solders)对环境和健康的危害,研究者们致力于开发性能优越的无铅焊料替代品。Sn-Ag-Cu(SAC)合金因其优异的机械性能和润湿性成为电子封装互连领域的热门选择。然而,高银含量的SAC焊料会形成脆性的Ag3Sn金属间化合物(IMCs),导致焊点机械性能下降。因此,工业界更倾向于使用低银含量的SAC焊料,如SAC105、SAC205和SAC305。此外,研究表明,添加微量合金元素(如Bi、Zn、In、Ti和Ni)可以显著改善低银含量SAC焊料的微观结构和机械性能。本研究的目的是探索Zn添加对低银含量Sn-2.0Ag-0.7Cu(SAC207)焊料微观结构和拉伸性能的影响。

研究流程

  1. 材料制备
    使用高纯度Sn、Ag、Cu和Zn锭作为原材料,制备了三种合金:SAC207、SAC207-1.5Zn和SAC207-3.0Zn。熔化过程在KCl + LiCl(1.3:1)气氛下进行,温度为800°C,持续1小时,并通过机械搅拌确保均匀性。每种合金经过两次重熔,制成直径约1.5 cm的棒状样品,冷却速率为6-8°C/s,以模拟微电子封装中的小焊点微观结构。

  2. 微观结构分析
    使用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和能量色散光谱(EDS)分析焊料合金中的IMCs形态和成分。样品用2% HCl、3% HNO3和95%乙醇溶液蚀刻。通过X射线衍射(XRD)分析确定合金中的相组成。

  3. 拉伸性能测试
    将铸锭机械加工成直径为1.2 mm的线状样品,标距长度为4×10^-2 m。样品在120°C下退火45分钟以消除残余应力。使用计算机控制的拉伸试验机在25-110°C温度范围和10^-5到10^-3 s^-1应变速率下进行拉伸测试。轴向应变测量遵循ASTM E8/E8M和ASTM E1012/E466标准。每种合金的机械性能通过三次测试数据取平均值。

主要结果

  1. 微观结构变化
    添加1.5 wt.% Zn不仅细化了Ag3Sn和Cu6Sn5颗粒,还增加了共晶区面积,并促进了小尺寸g-(Cu,Ag)5Zn8 IMC的形成。当Zn含量增加到3.0 wt.%时,g-(Cu,Ag)5Zn8相的晶粒尺寸增大,形态从条状变为花状或树枝状,同时Ag3Sn和Cu6Sn5颗粒显著减少。

  2. 拉伸性能
    添加1.5 wt.% Zn显著提高了SAC207焊料的屈服强度(YS)、极限抗拉强度(UTS)和杨氏模量,但降低了延展性。在25°C和70°C下,SAC207-1.5Zn焊料的UTS分别为30.4 MPa和19.4 MPa,显著高于未添加Zn的SAC207焊料。然而,Zn含量增加到3.0 wt.%时,机械性能略有下降,但仍优于未添加Zn的焊料。

  3. 应变速率和温度的影响
    随着应变速率的增加,三种合金的UTS、YS和杨氏模量均有所提高,表明拉伸行为具有应变速率依赖性。温度升高则导致机械性能显著下降,这是由于高温下扩散速率加快和析出相溶解所致。

  4. 本构方程分析
    使用Arrhenius型方程分析了合金的变形行为。结果表明,添加Zn后,应力指数(n)和活化能(Q)值均有所增加,表明Zn添加通过形成g-(Cu,Ag)5Zn8 IMC和细化Ag3Sn颗粒,显著提高了焊料的强度和热稳定性。

结论

本研究的主要结论如下:
1. 添加1.5 wt.% Zn显著细化了Ag3Sn和Cu6Sn5 IMCs,并促进了g-(Cu,Ag)5Zn8 IMC的形成,从而提高了SAC207焊料的机械性能。
2. 高Zn含量(3.0 wt.%)会导致g-(Cu,Ag)5Zn8相晶粒粗化,并减少Ag3Sn颗粒数量,导致机械性能略有下降。
3. SAC207-1.5Zn焊料表现出最高的UTS和杨氏模量,但延展性有所降低。
4. g-(Cu,Ag)5Zn8相的形成机制取决于Ag和Zn的含量,Zn添加抑制Ag3Sn颗粒的机制随Zn含量变化。

研究亮点

  1. 揭示了Zn添加对低银含量SAC207焊料微观结构和机械性能的显著影响。
  2. 首次系统研究了g-(Cu,Ag)5Zn8 IMC的形成机制及其对焊料性能的贡献。
  3. 通过应变速率和温度依赖性分析,提供了无铅焊料在实际应用中的性能预测依据。

科学价值与应用价值

本研究为开发高性能无铅焊料提供了重要的理论依据和实验数据,对电子封装行业具有重要的应用价值。通过优化Zn含量,可以显著提高焊点的机械性能和可靠性,从而满足现代电子产品对高速度、轻量化和多功能性的需求。

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