摘 要

传统的Ni-P镀层在高温服役时晶化，无法作为扩散阻挡层来阻止Cu-Zn化合物的形成。本论文基于此点，主要研究了向二元Ni-P镀层中引入第三元素Fe，采用化学镀的方法制作了Ni-Fe-P三元镍基合金镀层，并将其与无铅焊料Zn-5Al进行焊接实验，探究在420℃高温条件下，焊接不同时间焊接接头金属间化合物的生长情况和其扩散阻挡性能。研究结果表明， Ni-Fe-P镀层中Ni原子向熔融的Zn-5Al焊料一侧扩散，并且在Ni-Fe-P/Zn-5Al界面处与焊料中的Al原子形成了Al-Ni化合物，结合EDS打点分析，IMC的成分分析为Al₃Ni₂。在1min液固反应后界面生成了一层薄且密实金属间化合物层，其厚度为0.81μm，当液固反应时间达到30min时界面处IMC的厚度仍然很薄，为2.35μm，且没有孔洞和裂纹。表明Ni-Fe-P镀层具有缓慢的界面反应速率，是一种潜力巨大的高温扩散阻挡层。

关键词：无铅焊料；化学镀；Ni-Fe-P镀层；扩散阻挡层

Abstract

The traditional Ni-P coating would crystallize at elevated temperature and could not be used as diffusion barrier to stop the formation of Cu-Zn Intermetallic compounds. In this paper. The electroless Ni-Fe-P ternary coatings are fabricated by introducing the third element Fe. Then the Ni-Fe-P/Zn-5Al solder joints were prepared after long duration (up to 30 min) liquid-solid reaction with Zn-5Al high-temperature lead-free solder at 420 °C. The experimental results showed the Ni atoms in the Ni-Fe-P layer diffuse to the molten Zn-5Al solder and react with the Al element in the solder to form Al-Ni intermetallic compound. This Al-Ni IMC was identified as Al₃Ni₂ by EDS analysis. After 1min of liquid-solid reaction, a thin and dense intermetallic compound layer generated at the interface, with a thickness of 0.81μm. When the liquid-solid reaction time reached 30min, the IMC at the interface was still very thin, with a thickness of 2.35μm. No holes or cracks were found. The results show that Ni-Fe-P coating has a slow interfacial reaction rate and is a potential high temperature diffusion barrier.

Key Words：lead-free solder；electroless plating；Ni-Fe-P coating; Diffusion barrier layer

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 无铅焊料的研究现状 1

1.1.2 凸点下金属化合层研究现状 2

1.2 本论文的研究内容 3

第2章 实验材料及过程操作 5

2.1 实验材料 5

2.2 化学镀制取三元合金镀层 5

2.2.1 药品与主要仪器 5

2.2.4 Ni-Fe-P化学镀镀层表现 9

2.3 焊接接头的制备 9

2.3.1 焊接接头的制备 9

2.3.2 对焊接接头的处理 11

第3章 实验结果与分析 12

3.1 Zn-5Al/Ni-Fe-P焊接接头界面反应 12

3.2 Ni-Fe-P/ Zn-5Al焊接接头的IMC生长动力学 14

第4章 结论与展望 16

4.1结论 16

4.2展望 16

参考文献 17

致 谢 19

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 无铅焊料的研究现状

无铅焊料这个名词是基于高铅焊料产生的，在实际生产生活中，众所周知高铅焊料具有优良的性能，以95Pb-5Sn，90Pb-10Sn及95.5Pb-2Sn-2.5Ag等为代表的w(Pb)85的高铅焊料在微电子封装的高温领域应用广泛^[1]。尤其是在高温环境下，能为微电子元器件提供稳固可靠的连接，所以铅也常常被用作梯级钎焊时的高熔点合金，和半导体芯片等的粘结材料，它是在网络基础设施、汽车电子、航空航天等领域都被广泛使用的一种材料，但铅金属是一种有害材料众所周知，铅对人体和环境的损害都是不可逆转的，人体若是长期和含铅物质接触，铅就会在不知不觉中随着人们正常的生产活动进入人体，铅是一种重金属，一旦进入人体后，便不能被代谢排出体外，同时随着电子器件的损坏，铅金属泄露到生态环境中会给环境造成极大的污染，且随着生物链的富集作用，早晚会成为人类健康的大敌。它极大的损害了人的身体健康和破坏了生态环境，为了保护环境和人体安全各国已经开始立法限制甚至禁止铅金属的使用，各国不约而同地发起了绿色制造的号召，为了响应国家的号召和保护环境，就需要找到一种新型材料来取代高铅钎料的位置，我们称这些新型焊接材料为无铅焊料，但鉴于高铅焊料的优良性能，目前并没有制造出合适的替代材料，因为想要真正取代高铅焊料则需要从无铅焊料焊接后焊接接头的性能上着手，越是性能优良的焊接接头彻底取代高铅焊料的可能性越大，根据高铅焊料的有点，无铅焊料想要取而代之则至少应该具有以下特点：（1）无铅材料应具有良好的可加工性，能够像高铅焊料一样被加工成其他外形，如粉末状或是焊丝焊带等^[2]，且在类比高铅焊料加工的基础上需要保证加工工艺能更加简单容易实现，并在加工过程中能够尽可能少产生污染，不能与保护环境的准则相违背；（2）新型材料应该具有良好的导电及导热性能，高铅焊料在焊接和使用过程中温度和电流一般都比较高，作为替代材料，无铅焊料在相同工作环境下服役应该具有更加优良，就耐高温性和导电导热性而言，新型材料的导电性能及导热性能需要优良；（3）新型无铅焊料应具有优良的工艺性能。在焊接过程中一般要求液态钎料的流动性好，这样焊点成形较好，并且与Cu，Ni等常用基板间具有良好的润湿性^[3]；（4）接头的性能优良。焊接接头必须容易制取，同时制取的焊接接头作为服役部位，在焊接后接头它需要承受高温高电流，因此需要其具有较好的稳定性和可靠性。第四点为目前研究的重点

而我们需要知道的是，以上特性仅为无铅焊料应具有的性能的其中一部分，而基于以上性能，典型的高温无铅焊料如Au基焊料和Bi-Ag焊料等，就存在一些缺点无法克服，例如金基焊料的昂贵价格^[4]，Bi-Ag焊料较差的湿润性和脆性^[5]，纳米银浆的高成本和多孔性^[6]等，它们的这些缺点，导致在目前科技加工条件下无法取代高铅焊料。幸运的是研究发现，Zn基焊料可能具有取代高铅焊料的可能，Zn基焊料具有成本低、熔点高、导热导电性好等优点，是目前研究较多的材料，例如Zn-Al合金等，Zn基材料是一种潜在的高温无铅焊料。

1.1.2 凸点下金属化合层研究现状

同样还是与高铅焊料相对比，在钎焊时铅被其他组分代替容易与基板金属发生反应，无铅焊料容易在基板与焊接接头形成时生成脆性金属间化合物（Intermetallic Compounds:IMC）,并且生成的金属间化合物会在焊接接头服役时不断增长，持续性地降低焊接件的可靠性。同时由于在焊接接头的内部钎料、IMCs、基板的热膨胀系数不同，过厚的脆性IMCs层在服役过程中受外力易出现剥离等现象^[7,8,9]，更是急剧的降低了焊接接头的服役寿命和性能，而研究发现抑制IMC过度生长有两条途径可以选择，较好的选择就是开发出性能良好且易于制备的凸点下金属化合物，凸点下金属化层（Under Bump Metallisation）能有效抑制无铅焊点与铜基板的界面快速反应，同时性能优异的UBM除了能够充当扩散阻挡层以外，还能达到连接芯片和防治氧化的作用，即开发一种性能优良的镀层来与无铅焊料焊接隔离基板和钎料是研究的重点所在。