摘 要

AuSn20共晶钎料具有优良的焊接性能且在高温下的稳定性良好，现已被广泛应用于电子封装中。然而合金的脆性较大，难以通过普通凝固-轧制方法进行制备。研究快速凝固AuSn20共晶钎料薄带的制备，可改善合金钎料的加工性能，促进AuSn20共晶钎料的大规模推广与利用，满足特殊领域内电子封装材料的使用需求。

以AuSn20共晶钎料为研究对象，利用单辊甩带装置进行快速凝固钎料薄带的制备，并选择220℃、240℃、260℃等温度和1h、2h、4h、8h等时间在管式真空炉中对其进行韧化退火处理。利用OM、FESEM、EPMA、XRD等材料研究测试技术分析钎料薄带的物相及显微组织。通过DSC、钎料铺展实验、拉伸实验、显微硬度测量、平行板压弯实验等方法检测钎料薄带的焊接性能。在160℃下对AuSn20/Ni焊点进行时效退火处理，模拟钎料使用过程中焊点的热时效，观察退火24h和72h后焊接界面处的组织特征和IMC层的生长情况，分析AuSn20钎料薄带在实际应用中的钎焊性能。

研究结果表明，使用单辊快速凝固装置可以制备得到表面质量良好的AuSn20共晶钎料薄带，薄带宽为6mm，平均厚度为122μm。在260℃下退火2h可使钎料薄带的熔化特性、润湿性、剪切力强度和韧性得到大幅改善，满足焊接性能的需求。AuSn20共晶钎料薄带在镀Ni基板上形成焊点后，焊接界面处IMC层厚度较薄且呈均匀、连续分布，时效处理过程中IMC层厚度增长缓慢，快速凝固钎料薄带在160℃下表现出了良好的钎焊性能。

关键词：快速凝固；AuSn20；退火；组织；性能

Abstract

With excellent welding performance and good stability at high temperature, AuSn20 eutectic solder became commonly used in electronic packaging. However, because of greater brittleness, the preparation of AuSn20 eutectic solder is difficult through conventional casting-rolling approach. Research on preparation of rapid-solidification AuSn20 eutectic solder ribbon can improve the processing property of AuSn20 solder, thus accelerate the mass promotion and utilization of AuSn20 solder and meet the demand of electronic packaging materials for the special domain.

During the research, AuSn20 eutectic alloy solder was prepared through single-roll melt spinning equipment, and annealing treatment for 1h/2h/4h/8h was accomplished in tubular vacuum furnace at the temperature of 220℃/240℃/260℃. The phase composition and microstructure of rapid-solidification AuSn20 solder ribbon were studied by several materials analysis methods, including OM/FESEM/EPMA/XRD. Welding performance was determined by DSC/solder spreading test/tensile test/micro-hardness measurement/parallel plate bending experiment. Annealing aging at 160℃ was carried out to simulate the thermal aging of solder joints of AuSn20/Ni in the course of electronic packaging, the microstructure of welding interface and growth of IMC layers were observed so as to analyze the brazing performance of AuSn20 solder ribbon.

The results indicated that AuSn20 solder ribbon with good surface quality and moderate size(6mm in width and 122 mm in thickness on average)can be prepared through single-roll rapid-solidification equipment. Annealing at 260℃ for 2h greatly improved the melting property and wetting ability as well as shear strength and toughness of solder ribbon. As the slow-growing thin IMC layers within the AuSn20/Ni welding interface distributed homogeneously and continuously after annealing aging at 160℃, the rapid-solidification AuSn20 eutectic solder ribbon showed its good brazing performance at the temperature of 160℃.

Key Words：rapid-solidification; AuSn20; annealing; microstructure; performance

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 电子封装工程概述 1

1.2 电子封装焊接钎料 1

1.2.1 焊接钎料概述 1

1.2.2 无铅钎料研究进展 2

1.3 AuSn20共晶钎料 3

1.3.1 Au-Sn二元相图 3

1.3.2 合金钎料基本性能 4

1.3.3 制备工艺研究现状 5

1.4 快速凝固技术 6

1.4.1 快速凝固技术概述 6

1.4.2 快速凝固无铅钎料 6

1.4.3 快速凝固薄带制备技术 7

1.5 研究意义和内容 8

第2章 实验过程 10

2.1 单辊法制备快速凝固AuSn20共晶钎料薄带 10

2.1.1 单辊快速凝固装置 10

2.1.2 工艺参数 11

2.2 退火处理 12

2.3 物相与显微组织表征 12

2.3.1 光学金相显微镜观察（OM） 12

2.3.2 场发射扫描电子显微镜观察（FESEM） 13

2.3.3 电子探针显微分析（EPMA） 13

2.3.4 X射线衍射分析（XRD） 13

2.4 性能测试 13

2.4.1 熔化特性测试 13

2.4.2 钎料铺展实验 14

2.4.3 剪切力强度测试 14

2.4.4 显微硬度测量 14

2.4.5 平行板压弯实验 15

2.4.6 钎焊性能测试 15

第3章 快速凝固钎料薄带的组织与性能 16

3.1 物相与显微组织分析 16

3.1.1 快速凝固薄带显微组织特性 16

3.1.2 凝固方式对薄带组织的影响 19

3.1.3 δ相细化机理 21

3.2 退火处理对薄带组织的影响 21

3.2.1 退火处理后薄带显微组织特性 21

3.2.2 δ相体积分数及颗粒直径测量 23

3.2.3 δ相粗化机理 24

3.3 性能分析 28

3.3.1 熔化特性 28

3.3.2 润湿性 28

3.3.3 剪切力强度 29

3.3.4 显微硬度 29

3.3.5 弯曲断裂应变值 31

3.3.6 钎焊性能 32

第4章 结论 36

参考文献 37

致 谢 39

第1章 绪论

在进入21世纪后，信息时代下电子技术和相关产品的发展日新月异。现如今，以集成电路为核心的电子产品早已遍布人类社会的各个方面，小至3C产品大至汽车乃至航空设备都需要电子技术的支撑才能正常发挥作用。因此，电子产品对于现代社会的正常运转而言必不可少。电子封装作为IC产业链中的关键一环，在当前的时代背景下也取得了巨大的发展。随着科技水平的提升，电子产品在功能不断增强、应用领域不断扩展的同时也在朝着更轻、更薄、更小的方向发展，这使得芯片的集成度迅速增加，对封装材料的热传导性能、介电性能、耐高温性能提出了更高的要求，需要研究和开发与先进封装技术相适应的新型封装材料^[1]。电子封装技术与封装材料密不可分，二者在发展的轨迹上相互推进。

1.1 电子封装工程概述