| 题名 | 小尺寸Sn/Cu与Sn/FeNi焊点组织 |
| 作者 | 陈材 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 尚建库 ; 张磊 |
| 关键词 | 焊点厚度 微观组织 剪切性能 冷却速度 应变速率敏感性 gap size microstructure shear property cooling rate strain rate sensitivity |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | " 电子产品高密度封装的发展促使焊点持续小型化，尺寸下降将使焊点负载时变形受限，且影响焊点接合时的冶金行为，因此研究小尺寸焊点的冶金组织特点与其力学性能之间的相关性具有重要的意义。小型化中，作为可替代Cu的互连材料，FeNi与Sn的互连结构成为关注的焦点。本文以焊点厚度下降为主线，着重比较了与液态Sn冶金反应差异明显的FeNi和Cu所形成焊点组织的差异，并考察小尺寸焊点的剪切性能和主要失效方式，阐明了组织结构、应力分布、应变速率等因素随焊点厚度下降影响剪切性能的基本规律。 对Sn/FeNi界面固态反应研究中发现了未曾报道的两种界面化合物次序生长的现象，且揭示出润湿性变化与化合物的生长次序有很好的相关性。该结果证明镀锡FeNi可保持长期良好可焊性，为FeNi在微电子小型化中的应用前景提供了依据。 20 μm到300 μm之间焊点厚度的FeNi和Cu基焊点在不同冷却速度和焊料条件下的微观组织研究发现，焊点厚度对焊点组织的影响与体系的冶金反应活性密切相关。反应活性强的Sn/Cu体系中，在快速冷却时，薄焊点为b-Sn组织，厚焊点中为锡枝晶+网络状（Sn+ Cu6Sn5）共晶的组织；而在冷速较慢时，不同焊点厚度的焊点组织均为b-Sn，Cu6Sn5化合物以颗粒状分布在b-Sn晶粒内部或者晶界上。反应活性差的Sn/FeNi体系，快冷时焊点组织为单一的b-Sn相；慢冷时形成（Sn+(Ni, Cu)3Sn4）的共晶组织，焊点厚度不影响焊点组织。焊点厚度影响焊点组织的原因在于，焊缝小时溶质扩散距离短，在焊点中能更快达到饱和溶解度，而在焊点凝固时所承受的实际冷却速度也较快。 通过Sn/Cu和Sn/FeNi搭接焊点的剪切性能研究，结合有限元的应力分析，澄清了焊点剪切的尺寸效应来源。发现焊点厚度对焊点内部的Von Mises等效应力分布影响较小，焊点外形尺寸对剪切强度并无明显强化或弱化作用，Sn/Cu水冷焊点剪切强度的尺寸效应来源于不同厚度焊点的组织差异。 回流态的Sn/Cu、Sn/FeNi、Sn1.5Cu/Cu搭接焊点在1×10-4/s到1×101/s应变速率范围内的剪切性能表明，焊点（焊点厚度20 μm~300 μm）均为焊料的失效，没有发现断裂模式的转变，说明界面化合物层的断裂强度以及焊料/化合物的界面强度很高，焊点的性能主要由焊料的性能决定。并得到纯锡焊点在1×10-3/s应变速率下的剪切强度为15 MPa。 Sn/Cu和Sn/FeNi焊点在150oC时效后的组织粗化和界面化合物生长对剪切性能的影响研究表明，界面化合物厚度并不是影响焊点强度的重要因素，焊点的性能仍然由焊料控制。只有焊点尺寸降低到10 μm以下时，界面化合物的粗糙度相对于焊料的变形路径宽度不可忽视，焊料的变形受到突出的界面化合物的阻碍，剪切强度有所提高。 本论文对理解小尺寸焊点的剪切尺寸效应以及FeNi合金在小型化焊点中的应用具有指导意义。 |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64441]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈材. 小尺寸Sn/Cu与Sn/FeNi焊点组织[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
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