Cu6Sn5纳米颗粒复合无铅钎料合金及焊点界面结构研究

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在电子封装工业中,Cu6Sn5纳米颗粒作为增强剂添加到无铅锡基焊料中可以有效地改善焊料热性能和影响锡基焊点界面反应。本文通过使用还原沉淀方法制备Cu6Sn5纳米颗粒,探究Cu6Sn5纳米颗粒对SAC305合金及SAC305/Cu焊点接头的影响,同时解释不同尺寸Cu6Sn5纳米颗粒对Sn0.3Ag0.7Cu合金和Sn0.3Ag0.7Cu/Cu焊点接头的作用机理。实验利用SnCl4·5H2O和CuCl2氧化剂、NaBH4还原剂和柠檬酸钠分散剂制备出直径为30-40 nm的Cu6Sn5纳米颗粒。通过合金重熔的方式在400 oC下制备SAC305-xCu6Sn5(x=0,0.05,0.1和0.2 wt.%)复合焊料合金。XRD结果表明,在添加纳米颗粒后复合焊料合金的Cu6Sn5衍射峰更加明显。DSC曲线分析表明,Cu6Sn5纳米颗粒的添加略微降低了复合焊料合金的固相线温度,但是明显增强了复合焊料合金的过冷度。纳米压痕分析表明,Cu6Sn5纳米颗粒的添加明显提高了复合焊料合金的硬度和弹性模量。实验采用浸焊的方式将Cu基板分别浸入熔融的SAC305-xCu6Sn5(x=0,0.05,0.1和0.2 wt.%)复合焊料中1分钟,随后在250 oC分别时效24 h,120 h,240 h和360 h。结果表明在添加不同含量的Cu6Sn5纳米颗粒后,SAC305/Cu焊点界面金属间化合物(IMC)的生长受到显著抑制,其中添加0.1 wt.%Cu6Sn5纳米颗粒的抑制效果最明显,而添加过量的Cu6Sn5纳米颗粒后抑制效果会减弱。此外,Cu6Sn5纳米颗粒有效地细化了IMC晶粒尺寸,其中添加0.1 wt.%Cu6Sn5纳米颗粒的细化效果最明显。通过利用SnCl2和CuCl2·2H2O氧化剂、六偏磷酸钠分散剂、NaBH4和Zn粉还原剂成功制备出平均直径为30 nm和70 nm的Cu6Sn5纳米颗粒。DSC曲线分析表明,30 nm纳米颗粒比70 nm的烧结温度更低。DSC结果表明0.1 wt.%的30 nm和70 nm Cu6Sn5纳米颗粒分别添加到Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料合金中,复合焊料合金的熔点均有所下降,过冷度均有所提高,其中添加30 nm Cu6Sn5纳米颗粒焊料的过冷度数值最高,为12.6 oC。分别将0.1 wt.%两种纳米颗粒粉末与Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料粉末进行均匀混合,并利用助焊剂在250 oC下与Cu基板进行回流焊,随后在150 oC下分别时效24 h,72 h,120 h和240 h。实验结果表明,对比初始的Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊接接头,添加两种纳米颗粒的焊接接头界面IMC层厚度更薄,生长速率更慢。两种Cu6Sn5纳米颗粒对界面金属间化合物的生长有着抑制作用,其中30 nm的Cu6Sn5纳米颗粒抑制效果更好,并且对IMC晶粒的细化作用也更明显。
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