论文部分内容阅读
在电子封装领域中,焊点的可靠性是决定元器件服役时间长短的重要因素,通常使用焊点界面IMC的结构以及焊点的抗剪强度来衡量焊点的可靠性。传统的Sn基钎料与Cu基板往往会快速反应形成过厚的脆性IMC层,降低焊点的可靠性。目前采用在钎料与基板之间插入一层Ni(P)镀层抑制界面IMC的生长。然而Ni(P)镀层中的P会使得界面反应变得复杂,在焊点时效过程中的Ni(P)镀层会形成脆性的Ni3P层和Ni2SnP层,当这两层化合物形成后将造成焊点界面脆化和界面IMC层剥落,降低焊点可靠性。本实验中尝试在Ni(P)镀层中添加纳米Cu颗粒形成Ni(P)-Cu纳米复合镀层,将这种纳米复合镀层与Sn58Bi无铅钎料进行钎焊及恒温固态时效,探究这种纳米复合镀层对焊点界面IMC生长情况以及焊点拉伸剪切强度的影响。为了得出在与Sn58Bi钎料进行钎焊反应时厚度最为恰当的Ni(P)镀层厚度,通过控制施镀时间,得到镀有不同厚度Ni(P)镀层的Cu基板,并与Sn58Bi钎料进行钎焊及时效。结果发现在基板表面粗糙度与润湿性正相关,均与镀层厚度呈现类似于二次函数关系,当镀层厚度为0.5μm时基板表面粗糙度最低,钎料在基板表面的润湿性最差。Ni(P)镀层越厚,Ni(P)镀层转变为Ni2SnP层的时间越晚,界面IMC的生长速率越低。当镀层厚度达到1.5μm时,Ni(P)镀层过厚,界面反应为Sn-Ni之间的反应,Ni(P)镀层在时效后损耗较少。随着Ni(P)镀层厚度增加,焊点时效240 h后界面IMC形貌由球状状变为柱状,最终形成块状。其中镀层厚度为0.1 μm时,界面形成的柱状IMC将会促进焊点界面IMC的快速生长。可以得出在Sn58Bi焊点中,Ni(P)镀层的最适宜厚度应为0.5～1.0μm。在得出最适宜的Ni(P)镀层厚度后,施镀过程中在镀液中添加含量为0.8 g/L的纳米Cu颗粒,使用电动搅拌器控制搅拌速度为220 rpm,将得到的Ni(P)-Cu纳米复合与Sn58Bi钎料进行钎焊并固态时效,采用相同施镀时间的Ni(P)镀层作为对照。结果发现镀层中添加纳米Cu颗粒后,镀层表面晶胞体积减小,晶胞致密,同时会降低Ni(P)镀层沉积速度。焊点时效后,镀层中的Cu参与了 Ni-Sn之间的界面反应并促使界面处快速形成平面状的(Cu,Ni)6Sn5,俯视图中,焊点界面处的(Cu,Ni)6Sn5晶粒呈现紧密排列的块状形貌,原子扩散只能通过不规则的晶界,扩散速度较慢,因此即使是当Ni(P)-Cu镀层转变为Ni2SnP层后仍有效的抑制了焊点后续的界面反应,保护了 Cu基板。为了研究Ni(P)镀层中添加纳米Cu颗粒后对焊点剪切行为的影响,对焊点进行了拉伸剪切试验,拉伸速率为1 mm/min,观察焊点断口形貌以及断口界面结构,并记录焊点剪切强度,总结焊点剪切行为变化规律。结果发现在Sn58Bi/Ni(P)焊点中,随着时效时间的增长,焊点断裂位置逐渐由钎料中向IMC内部移动,焊点断裂模式中IMC的脆性断裂逐渐占据主导作用,焊点的剪切强度也随之降低,当焊点时效120h后,焊点剪切强度仅为刚刚完成钎焊的四分之一。而Sn58Bi/Ni(P)-Cu焊点剪切行为正相反,随着时效时间的增长,焊点断裂位置逐渐由IMC中向钎料中移动,钎料中的韧性断裂占据主导地位,焊点的剪切强度随时效时间的增长缓慢升高,但焊点的剪切强度基本稳定在41 MPa。