摘要
在电子封装微型化和无铅化的发展背景下，低温互连不仅能避免高回流温度条件下轻薄基板变形带来的焊接缺陷，也能够节约制造成本。当前常用低温无铅钎料主要包括Sn-Bi系、Sn-In系和Sn-Zn系。这三类体系的二元共晶成分满足低温钎料熔点的要求，是低温钎料研发的主要基石。但简单的二元合金具有一系列问题，即Sn-Bi共晶合金太脆，Sn-In共晶太软，Sn-Zn易发生氧化， Sn-Bi-In-Zn合金中，Bi的添加用于提高焊点的硬度，但缺点是润湿性差；In主要会固溶进β-Sn和其他含Sn的IMC层(IntermetallicCompound)中，降低钎料的熔点，增大钎料的熔化过程，并提高钎料的润湿性；而Zn元素的加入会降低钎料的润湿性，导致焊点的耐腐蚀性下降，但是对In引起的IMC层过厚有改善作用；综合三种低温焊料的特性，研发Sn-Bi-In-Zn合金作为叠层焊点的低温焊料，理论上可以利用Bi、In和Zn性能上的互补，既能降低熔点，又能解决Bi偏聚问题，从而解决因为焊点IMC层生长过快而导致老化失效。本论文采用Sn-Bi-In-Zn的组合方式进行焊料成分设计。 运用“合金基体+调控元素”的合金设计理论，在等摩尔比例Sn，Bi,In作为主要合金化元素设计Sn-Bi-In基体，然后在Sn-Bi-In合金焊料的基础上调控Zn元素含量采用不同的冷却速度，制备Sn-Bi-In-Zn合金钎料。 探究冷却速度和Zn含量对钎料微观组织、熔化性能和力学性能的影响。结果表明：模具冷却制备的钎料熔点达100℃，抗拉强度最高为51MPa；空冷钎料熔点可达80℃，抗拉强度最高为65MPa；冰冷钎料熔点可达到80℃，抗拉强度最高为59MPa。模具冷却状态下的钎料的显微组织粗大，空气冷却和冰冻冷却状态下的组织更加均匀细小；Sn-Bi-In-Zn合金钎料的抗拉强度随Zn含量的增加呈先上升后下降的趋势。其中当Zn量为0.5（wt.%）时，合金焊料的抗拉强度最高。 使用制备好的空冷Sn-Bi-In-Zn钎料，通过回流钎焊与超声钎焊两种钎焊方法进行钎焊焊点制备。然后对焊点进行剪切性能测试，结果表明：回流钎焊接头剪切强度最高可达27.5MPa，超声波钎焊接头剪切强度最高可达47.5MPa。对焊缝IMC层进行能谱分析后发现：回流钎焊IMC层中主要金属化合物为Cu6Sn5,超声钎焊IMC层中主要金属化合物为Cu3Sn。随后对超声焊点进行24h，80℃的等温时效处理，发现Zn含量为1.0%时，超声波钎焊接头剪切强度最高可达51.2MPa，IMC层最小厚度由1.0μm增加至1.6μm。
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