摘 要

随着电子封装的不断发展，传统的Sn-Pb钎料已经不能满足高性能电子产品，同时也不环保。Au-Sn合金钎料具有导电和导热性高、浸润性好、焊接强度高和抗疲劳性能及耐蚀性能好等优点，但脆性大。本文通过快速凝固轧制和普通凝固轧制两种不同的工艺制备了AuSn20合金钎料薄带。

通过金相显微镜（OM）、FESEM、XRD、EPMA、DSC等实验，对快速凝固和普通凝固的AuSn20合金钎料薄带的显微组织、物相、熔化特性、润湿性以及剪切强度进行了对比分析。

研究结果表明：快速凝固和普通凝固的AuSn20 钎料金相组织由初生相ζ'-Au₅Sn和δ-AuSn两个相组成。但快速凝固的共晶组织相对于普通凝固的细小，且成分分布均匀。实验中测得的快速凝固的熔化区间为4.8℃，比普通凝固的低2.5℃。同时快速凝固钎料的铺展面积为14.48mm²，剪切强度为39.17MPa，均高于普通凝固钎料。

关键词：快速凝固；普通凝固；AuSn20合金钎料；显微组织；性能

Abstract

With the development of electronic packaging, the traditional Sn-Pb solder has failed to meet high performance electronics, and it's also hostile to the environment. Au-Sn alloy solder has the advantages of electric conduction and thermal conductivity, good infiltration, high welding strength and anti-fatigue performance and corrosion resistance, but it is brittle. In this paper the AuSn20 alloy solder strip is prepared the AuSn20 alloy steel strip in two different processes, such as rapid solidification rolling and ordinary solidification rolling.

The microstructure, material phase, melt properties, wettability and shear strength of the AuSn20 alloy solder ribbon with rapid solidification and ordinary solidification were compared and analyzed through the experiments such as the metallographic microscope (OM), FESEM, XRD, EPMA, DSC, etc.

The result of research shows that: The rapid solidification and the ordinary solidification of AuSn20 solder are composed of two phases: ζ'-Au₅Sn and δ-AuSn. But the rapid coagulation of eutectic structure is relatively small compared to the ordinary solidification, and elements evenly distributed. melting temperature range of the rapid solidification measured in the experiment is 4.8℃, 2.5 ℃ lower than the ordinary solidification. At the same time, the spread area of the rapid solidified solder is 14.48 mm², and the shear strength is 39.17 MPa, which is higher than the ordinary solidified solder.

Key Words：rapid solidification；ordinary solidified；AuSn20 alloy solder；microstructure；performance

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 电子封装概述 1

1.2 电子封装钎料 1

1.3 无铅钎料合金 1

1.4 金锡钎料合金 2

1.4.1 金锡钎料性能 3

1.4.2 金锡合金钎料的制备 5

1.6研究的意义与内容 5

第2章 实验过程 8

2.1 合金的熔炼 8

2.2 钎料薄带的制备工艺 8

2.2.1 快速凝固装置 9

2.2.2单辊法的工艺参数 9

2.3显微组织观察和物相分析 10

2.3.1金相观察 10

2.3.2 FESEM、EPMA、XRD测试 11

2.4 钎料性能测试 11

2.4.1 熔化特性测试 11

2.4.2 润湿性测试 11

2.4.3 剪切强度测试 12

第3章 AuSn20合金钎料薄带的组织性能分析 13

3.1 AuSn20钎料的显微组织与物相分析 13

3.1.1 钎料的金相组织 13

3.1.2 电子探针分析 14

3.1.3 XRD物相分析 16

3.2 AuSn20合金钎料薄带的性能分析 16

3.2.1 熔化特性 16

3.2.2 润湿性能 18

3.2.3 剪切强度 19

第4章 结论 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 电子封装概述

随着科技的不断地发展，电子信息化在当今世界经济和社会中有着不可替代的重要作用，电子产业也在全球的制造业和经济邻域占着不小的比重。信息化的不断发展带动了电子封装技术的高速发展。同时超大规模集成电路(VLSL)和微型化片式元器件的发展也使得电子元件小型化并获得高性能，但电子封装技术和材料仍然制约着电子元件朝着更小，更薄和高性能发展^[1]。

为了使电子封装系统小型化，同时可以达到高性能、高可靠和低成本的要求。国际微电子与封装学会前任主席Rao Tummala^[2]先生在所作的“未来10 年电子封装发展蓝图”的主题报告中指出，他领导的研究团队在研究一种超低成本、高效率、高集成的系统封装，可以将与MCM相关的一系列电子元件的封装效率、性能和可靠性提高10 倍左右，同时尺寸和成本缩小为原来的10 %。随着现代电子封装的薄带不断发展，电子封装已经到了一个新阶段，同时电子封装技术也在不断发展进步。现在先进的电子封装技术^[3]有：（1）球栅阵列封装，（2）芯片级封装，（3）直接键接芯片技术，（4）倒装法。

1.2 电子封装钎料

随着电子元件的快速发展，电子封装也在高速发展，同时对于电子封装钎料的性能要求也在不断提高。Sn-Pb钎料已不能满足电子封装的高性能要求，同时含Pb的钎料也会对环境造成破坏，并且对人体有害^[4]。随着电子封装材料的发展以及人类健康意识的提高，人们在追求电子产品高性能、高质量的同时，对电子产品是否环保，是否对人体有害等方面更加注重 ^[5]。随着环保意识的提高以及法律和市场等多种因素的推动下，各国和国内外研究组织都致力于对绿色材料的研究和开发^[6]。而且由于在性能上无铅钎料也能达到电子封装的高要求。因此，各国都积极推广无铅钎料及电子制造无铅化技术以此来替代Sn-Pb钎料，同时也重视无铅钎料的研究和改善 ^[7]。

1.3 无铅钎料合金

钎焊是电子封装中的重要技术。为了得到理想的钎焊焊点，钎料的选择至关重要。钎料的可焊性、熔点、强度、抗蠕变性能等均可影响钎焊的质量^[8]。在电子封装中，钎料主要起连接作用。焊接是钎料应用在各级电子封装中的最主要的方式。目前国际上公认的无铅钎料定义是：以Sn为基体，添加了Ag、Cu、Sb、In其它合金元素，而Pb的质量分数在0.2%以下的主要用于电子组装的软钎料合金^[9]。

无铅钎料主要分为Sn基无铅钎料和Au基无铅钎料两种。常见的无铅钎料主要都是Sn基或者是含Sn的钎料。焊接的基体材料、涂层、表面镀层，如Cu、Ni、Ag、Ag-Pd和Au等，都能与Sn发生化学反应形成金属间化合物（IMC），从而达到钎料与焊盘或基体材料的润湿性能要求和连接从而保证焊点的强度^[10]。Sn被认为是无铅钎料中不可或缺的元素。实际中比较常用的Sn基无铅钎料^[6]主要有：（1）Sn-In系，（2）Sn-Bi系，（3）Sn-Zn系，（4）Sn-Ag-Cu系，（5）Sn-Sb系。其中Sn-Ag-Cu系被认为最有希望代替该合金系被认为最有希望成为传统锡铅钎料的替代品。Sn-Ag-Cu的共晶成分一般认为是Sn-3.5Ag-0.9Cu，其共晶温度为217.2℃。Sn-Ag-Cu系钎料具有良好的物理性能和延展性，其钎焊焊点的强度于锡铅钎料。Sn-Ag-Cu的金相组织中弥散分布着Ag₃Sn相，有利于提高合金的力学性能和高温稳定性。此外，Sn-Ag-Cu钎料还具有优良的抗疲劳、抗蠕变性能和热力学性能^[11]。