【摘 要】
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Sn-Pb焊料因铅元素具有生物毒性而被禁止使用,Sn-Ag及Sn-Cu系等焊料因具有优异的力学性能已成为电子封装行业中常用的无铅焊料,然而其熔点过高,在高度集成化和轻薄化芯片封装过程中容易导致基板翘曲变形和焊接缺陷等问题,无法满足新一代电子产品发展的需求。低温无铅型焊料是解决上述问题的主要方法之一。Sn-Bi系合金因具有良好润湿性和低熔点而被视作最具发展前景的低温无铅焊料。然而,Sn-Bi共晶合金
【基金项目】
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广西科学研究与技术开发计划项目《高性能锡基无铅焊料新材料研究与关键技术攻关》（项目号:桂科攻11107003-1）； Cu@Sn双金属层包覆纳米石墨烯增强Sn-Bi系无铅焊料界面机理研究（项目类别:广西自然科学基金项目-青年基金,项目批准编号:2020GXNSFBA297062）； 广州德凯科技有限公司合作项目《锡基无铅焊料互连焊
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Sn-Pb焊料因铅元素具有生物毒性而被禁止使用,Sn-Ag及Sn-Cu系等焊料因具有优异的力学性能已成为电子封装行业中常用的无铅焊料,然而其熔点过高,在高度集成化和轻薄化芯片封装过程中容易导致基板翘曲变形和焊接缺陷等问题,无法满足新一代电子产品发展的需求。低温无铅型焊料是解决上述问题的主要方法之一。Sn-Bi系合金因具有良好润湿性和低熔点而被视作最具发展前景的低温无铅焊料。然而,Sn-Bi共晶合金因脆性Bi相含量过高而严重地影响了焊点的可靠性,急需发展高可靠性的Sn-Bi低温无铅焊料。本工作以低Bi含量的Sn-20Bi合金为研究对象,探讨了金属元素Cu、In以及非金属石墨烯的添加对合金组织与性能的影响,获得了金属元素和非金属元素对焊料性能、焊点界面金属间化合物生长演化规律和焊点力学性能等的影响规律;采用第一性原理方法研究了界面相形成与界面键合机制;通过等温老化实验考查了焊点服役可靠性并探究了焊料成分对焊点抗时效性能的影响。主要研究结果如下:（1）在单一金属元素Cu或In添加的体系中,发现Cu元素对Sn-20Bi焊料性能的改善优于In元素。其中,Sn-20Bi-0.3Cu合金的综合性能最优:润湿铺展率为86.6%,最大抗拉强度为84.6 MPa,延伸率为17%,腐蚀速率为0.078 mm/year。对比同工艺制备的Sn-20Bi合金,其抗拉强度提升25.1%,腐蚀速率降低61.6%。（2）基于“Edge-to-Edge”模型研究了Sn-20Bi-xCu系列合金的晶粒细化机制与凝固特性。结果表明:Sn-20Bi-Cu合金中[（?）（?）23 Cu6Sn5∥[110 Sn、(01（?）1 Cu6Sn5∥(（?）12 Sn和[（?）223 Cu6Sn5∥[01（?）Sn、(01（?）0 Cu6Sn5∥(1（?）（?）Sn这两对取向关系的错配度均小于12%,表明Cu6Sn5相在Sn基体中具有异质形核能力,在凝固过程中能有效细化合金组织。（3）同时添加Cu和In元素对Sn-20Bi合金焊料力学性能的提升明显优于单一添加Cu或In的焊料。在Sn-20Bi-Cu-In合金中,Cu与Sn生成的Cu6Sn5相在凝固过程中起异质形核作用,可细化晶粒并改善合金的强度与塑性,而In元素具有固溶强化作用。组织细化、第二相强化与固溶强化的协同作用提升了焊料的综合性能,Sn-20Bi-0.1Cu-2In合金润湿铺展率为79.6%,最大抗拉强度为88.4 MPa,延伸率为17.2%。（4）采用包覆熔铸法制备的石墨烯改性Sn-20Bi合金组织十分均匀。该法制备的Sn-20Bi-0.02GNSs焊料具有最优的性能:润湿铺展率81.9%,最大抗拉强度97.3 MPa,延伸率23.3%。其抗拉强度和延伸率与传统Sn-37Pb焊料（抗拉强度为88 MPa,延伸率为24%）相近,表现出良好的应用潜力。（5）焊点界面作用的第一性原理研究表明,In合金化后焊点界面In原子和界面两侧的Cu原子形成了Cu-In共价键,主要来自于Cu原子的3d轨道和In原子的5p轨道。In合金化显著降低了Cu(001/Cu6Sn5（11（?）0）界面的界面能,即提高了Cu与Cu6Sn5的界面结合稳定性,有利于改善其焊点剪切强度。焊料/铜基板的回流态焊点力学性能试验结果表明,Sn-20Bi-2In/Cu焊点的剪切强度（50.2 MPa）比Sn-20Bi/Cu焊点提升了27.7%。（6）选取各体系中回流焊点力学性能最好的焊点进行130℃等温热处理360 h后发现:MC Sn-20Bi-0.02GNSs/Cu焊点中散落至界面Cu6Sn5表面或Cu6Sn5晶粒之间的石墨烯会阻碍Cu6Sn5晶界的移动,抑制界面Cu6Sn5晶粒长大和界面组织中Cu3Sn的生成,具有最好的抗时效性（剪切强度最大降幅仅为14.9%）。其时效360 h后剪切强度可达39.4 MPa,明显高于传统Sn-37Pb焊料回流焊点的剪切强度（34 MPa）,说明该焊点具有良好的服役可靠性。本工作从组织结构、力学性能和焊点服役可靠性等方面对Sn-20Bi焊料进行系统研究,为Sn-Bi低温无铅焊料的工业化应用提供了理论依据和数据支撑。
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