摘 要

基于优异的导热、导电性能及力学性能，金属铜在电子工业领域内获得了广泛的关注，与之相伴随的，铜金属的低温钎焊也一直是电子封装领域的研究热点。在传统的铜金属低温钎焊工艺中，Sn基钎料较差的力学性能和使用钎剂时导致的接头耐腐蚀性下降，都阻碍了高性能焊点的制备。为克服这些缺陷，本文设计了一种利用泡沫Ni/Sn复合钎料在超声波辅助下对金属Cu进行无钎剂钎焊的焊接方法，探讨了钎焊时间和钎焊温度对钎焊接头显微结构的影响，并对钎焊接头进行了力学性能测试与分析。最后，研究了在超声波作用下Cu母材与泡沫Ni骨架、Sn-9Zn钎料之间的冶金反应特点及超声波的作用机理。

实验结果表明，随着超声振动时间的增加，接头的显微形貌得到了有效改善，钎缝层内部出现了条带形的层状结构，界面处IMC层厚度增加，母材与钎料层的连接得到加强。依据相关文献可推测，在超声波作用下界面处形成了较厚的Cu₆Sn₅层，并且在钎缝内部形成了由泡沫Ni骨架、化合物CuZn₅、Cu₅Zn₈、Ni₃Sn₄、Cu₆Sn₅和Sn-9Zn混合组织构成的条带状结构。就力学性能而言，接头的剪切强度呈现先增加后下降的趋势，最高可达65MPa，比Sn基钎料剪切强度提高近300%。样品的断裂部位最初出现在Sn-9Zn基体处，增加振动时间后转移至Ni骨架附近，最后为母材与钎料层的界面处。

在钎焊过程中，超声波的相关作用机制为：超声波作用所带来的空化效应，可以有效破碎Cu母材表面氧化层，促进母材与钎料的润湿，对Cu原子向钎料层中扩散也具有积极作用。随着超声振动时间增加，Cu原子与Ni原子间置换逐渐剧烈，也促加速了冶金反应的进行。

关键词：Ni/Sn复合钎料；超声波；铜；力学性能；

Abstract

Based on the excellent thermal and electrical conductivity and mechanical properties, copper has received much attention in the field of electronics industry. Meanwhile, low-temperature connection technology of copper has been a hot research area in microelectronics packaging field. However, since the poor mechanical property of Sn-based solder and the damage of joint corrosion resistance caused by flux, the application of Cu soldering technology is restricted. To solve this problem, this paper proposed a way to use Ni/Sn composite solder to connect the copper with ultrasound assisted soldering and discussed how the brazing time and brazing temperature in the process of soldering can affect the microstructure morphology. We tasted the shearing strength of joint and did some analysis of it. The effect and mechanism of ultrasonic wave on metallurgical reaction between Cu, Ni bar and Sn-9Zn solder was studied in the paper, too.

The results showed that with the increase of the ultrasonic vibration time, joint microstructure morphology has been effectively improved, the strip-type layer structure was formed in the inside of filler and the thickness of IMC layer was increased. The connection between parent metal and solder was effectively reinforced, too. According to the relative papers, it can be suspected that the IMC layer at interface was Cu₆Sn₅, and the layer structure in the filler consisted of Ni bar, CuZn₅, Cu₅Zn₈, Ni₃Sn₄, Cu₆Sn₅ and Sn-9Zn. For mechanical properties, the shear strength of joint increased first before a declining trend, and the maximum was 65MPa, showing a 300% increase than Sn-based solder. The crack point of the sample was first shown at Sn-9Zn matrix, with the increase of the ultrasonic vibration time, it moved to somewhere near Ni skeleton. And finally, the sample cracked at the interface between parent metal and solder.

In the process of soldering, the mechanism of ultrasonic wave is: with the help of its cavitation effect and acoustic streaming effect, we can obviate the oxide film on the metal substrate surface as well as modify wetting ability of liquid filler metal (like, Sn-9Zn) on the parent metal surface. It can also help Cu atoms diffuse into the solder layer. Besides that, the replacement between Cu atoms and Ni atoms becomes more and more violent, which promotes the forming of IMC.

Key Words:Ni-Sn composite filler，ultrasonic，copper，mechanical strength

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的主要研究内容 5

第二章 实验材料与方法 6

2.1 实验材料 6

2.1.1 实验母材 6

2.1.2 实验钎料 6

2.2 实验设备及装置 7

2.3 实验步骤 9

2.3.1 Ni/Sn-9Zn复合钎料的制备 9

2.3.2 超声波辅助钎焊预处理 9

2.3.3 超声波辅助钎焊 10

2.3.4 金相观察及力学性能测试试样制备 11

2.4 试样测试方法 12

2.4.1 金相观测 12

2.4.2 接头剪切性能测试 12

第三章 Ni/Sn-9Zn复合钎料超声波辅助钎焊T2铜 14

3.1 引言 14

3.2 钎焊工艺 14

3.3 钎焊工艺参数对接头微观形貌的影响 14

3.3.1 钎焊时间对接头微观形貌的影响 14

3.3.2 钎焊温度对接头微观形貌的影响 19

3.4 界面及内部IMC生长因素分析 23

3.5 Ni/Sn-9Zn钎料超声波辅助钎焊Cu接头力学性能分析 23

3.6 钎焊接头剪切断口及强化因素分析 24

结论 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

电子工业行业内，对钎焊的定义为：使用低于母材基板熔点的纯金属或合金材料作为钎料，加热待焊件和钎料到低于母材熔化温度，高于钎料金属的熔点，利用熔融态钎料金属润湿母材，填充接头缝隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法^[1]。钎焊根据钎料液相温度可以分为软钎焊（钎料的液相温度小于450℃）、硬钎焊（钎料的液相温度450℃到900℃）和高温钎焊（钎料的液相温度高于900℃）。相比于硬钎焊，软钎焊的钎焊温度低，操作方便易行，因而被广泛应用于微电子封装中^[2]。

基于良好的力学性能和耐腐蚀性，又兼具易熔接、可塑性和优秀的延展性，铜在工业应用上获得了广泛的关注，如电子、航空、自动化等。尤其在电子工业领域，铜的应用已告别了过去单一的电真空器件、印刷电路层面，不断扩展发展到了微电子行业和半导体集成电路中。虽然被广泛应用于电子封装等高温服役环境，但是大多数铜接头是在低温下钎焊获得，如芯片焊接最初在高温下焊接在一个芯片脚上，之后在低温环境中钎焊在印刷电路板上^[3]。对于Cu/Cu连接，在受到机械冲击时，极有可能由于自身的强度不足而失效，这在很大程度上限制了铜接头的发展与应用。大量的国内外学者都投身于制备Cu₆Sn₅的IMC焊点，以期提高接头的高温服役性能和剪切强度等力学性能，但大多数研究未能给出十分完美的建议。

在铜接头低温钎焊工艺中，由于Sn-Pb钎料优秀的焊接性，曾被认为是钎料的最佳选择。然而在当代，含铅焊料由于对环境过强的毒性几乎被全世界各国法律禁止。为了寻找合适的替代品，科学家对Sn-Ag,Sn-Au,Sn-Zn合金以及由其衍生出的多元素合金进行了大量的研究^[4]。由于其价格低廉，储量丰富，并且有良好的力学性能如抗疲劳强度和抗蠕变性，Sn-xZn系统被视为Sn-Pb钎料良好的替代品。在钎料中，Zn元素可以有效降低钎料的熔点，当Zn的含量增加至9 wt.%时，钎料的熔点可降低至198.5℃，十分接近Sn-Pb系钎料。由于熔点相似，可以在不更换现有生产设备的情况下使用Sn-9Zn焊料进行工业化流水线生产，这为钎焊工业生产带来了极大的便利。然而，Sn-9Zn表现出不佳的抗氧化性和润湿性又限制了其大规模应用。