1. 研究目的与意义（文献综述）

长期以来，锡铅钎料由于其优异的性能在电子产品的pcb加工、封装中应用十分广泛。但随着社会的发展，人们逐渐意识到铅对人体及环境的危害，美国环境保护署已将铅及其化合物定性为17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一。自2006年7月1日欧盟实施无铅化以来，中国、日本和美国等也相继颁布了禁止使用铅及其化学物的法令。因此取代无铅焊料的发展已成为电子互连材料的重要组成部分。在各种替代无铅焊料中，sn-ag-cu（sac）焊料因为具有低熔点，良好的润湿性和机械性能，被认为是最有前途的无铅焊料合金之一。封装材料现在也基本上完成了由原来的锡铅焊料向无铅焊料的转变^[1-3]。

而锡铅钎料中的铅被相对少量的其它组分（如铜或者银）所替代后，这些组分在钎焊过程中会与基板金属反应形成金属间化合物(intermetalliccompound ，imc)。这些化合物一般为脆性，过厚的imc会劣化焊点机械和热疲劳性能，降低电子产品的可靠性。抑制imc过度生长的途径一般有两条，一是在无铅焊料中加入1wt.%到2wt.%的al, cr, si, zn, ag,au, ru, ti, pt, nb, fe, co, ni，和 cu等，二是开发出可制备的凸点下金属化层( under bump metallization，ubm)，这种ubm比铜板更加稳定，能有效抑制无铅焊点与铜基板的界面扩散反应速率，避免生成较厚的金属间化合物。因为迄今为止，国内外学者对改变焊料成分方面做了很多努力，而修改ubm成分方面的工作相对较少，所以开发新的ubm很有价值^[4-6]。

化学镀ni-p镀层因为可有效阻挡cu的扩散，且易制备，成本较低，所以在工程界被广泛用作扩散阻挡层。但是由于表面au层的多孔性导致的ni 氧化，以及焊接面存在的富 p 层等因素可能存在 “黑盘”现象; 另外在 imc 与 ni-p 之间还会形成一层三元的 nisnp 微晶层，该层呈柱状晶结构，在老化过程中，sn 原子从 nisnp 中通过柱状晶扩散到 ni-p 中，在 ni sn p 中形成空位，最终形成“柯肯达尔”空洞，会显著降低焊点可靠性^[4]，所以亟需制备新的扩散阻挡层。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1、材料制备：通过表面沉积技术在铜基板上沉积得到不同的镍基镀层（Ni-W-P和Ni-Fe-P）；形成无铅焊点进行回流和老化实验。

2、材料表征：对不同的镍基镀层进行结构表征和形貌分析，通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线（EDX）等表征手段观察和分析界面的微观组织和结构。

2.2 研究目标

1、掌握无铅焊点的形成以及三元镍基镀层（Ni-W-P、Ni-Fe-P）的制备方法；

2、观测回流和时效处理下焊接界面的扩散和演变过程；

3、分析与归纳实验数据，对Ni-W-P、Ni-Fe-P镀层进行比较，提出比Ni-P镀层的优化方案。

2.3 技术方案

1、基体的前处理。选择紫铜（纯度＞99.99%，厚度为1mm）作为基板，将其切成20mm×20mm的正方形。经#1200及#2000水磨砂纸磨平后用丙酮对其除油。试样经水洗后在下列溶液中进行电解抛光获得光洁表面：蒸馏水1000ml，磷酸500ml，酒精500ml，尿素10g，异丙醇101ml，抛光所用电压为7V。

2、镀层的制备。首先，将铜冲洗到50％的硝酸中15秒以除去铜基板的氧化物，然后用去离子水冲洗10秒。然后，用铝钩相连，放入镀液中施镀，制备Ni-W-P，Ni-Fe-P以及Ni-P镀层便于比较。Ni-W-P和Ni-Fe-P镀层分别的镀液成分见下表1。

表1. 三元镍基合金配方及工艺（单位为g/L）

3、制备焊点。使用直径为0.76mm的Sn-3.0Ag-0.5Cu（SAC305）焊球，分别在 Ni-W-P、Ni-Fe-P以及Ni-P镀层表面涂抹助焊剂，然后使用植球机将焊球放置在各个镀层表面。最后将排布有焊球的各个试样置于加热板上进行回流实验。回流完成后将基板从加热板上拿下，置于室温环境下自然冷却。

4.对界面微观组织形貌进行表征。将焊点沿垂直方向切片，切片后用环氧树脂对试样进行冷镶。用水砂纸按照240#-800#-1200#-2000#顺序对试样观察表面进行预磨，然后进行抛光。使用扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线（EDX）光谱学研究了在Sn-3.0Ag-0.5Cu/ Ni-W-P /Cu，Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni-Fe-P /Cu界面形貌以及IMC的微观结构。使用Image J软件测量Ni-W-P镀层，Ni-Fe-P镀层和用来比较的Ni-P镀层以及它们分别对应IMC层的厚度。 同时，Sn-3.0Ag-0.5Cu/ Ni-W-P ，Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni-Fe-P和Sn-3.0Ag-0.5Cu/ Ni-P焊料互连中形成的IMC的俯视图形貌通过用稀NaOH溶液（20g / L）对焊点上方的残余焊料进行去除，观察其界面的腐蚀形貌。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4－6周：按照技术方案，制备镍基镀层并形成无铅焊点接头；

第7－10周：观测回流和时效处理下焊接界面的扩散和演变过程；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 田华存. 浅谈低ag系sn-ag-cu焊料的发展[j]. 中国新技术新产品, 2017(17):52-53.

[2] xut, hu xw, li yl, jiang xx, the growth behavior of interfacial intermetalliccompound between sn-3.5ag-0.5cu solder and cu substrate under differentthermal-aged conditions [j]. journal of materials science: materials inelectronics, 2017 (28): 18515-18528.