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Sn-Zn/Cu焊点时效后剪切强度与界面显微组织分析 指导老师:孟工戈教授 学生:朱林威 2011.6.23 主要研究内容 Sn-Zn/Cu焊点时效后剪切强度结果与分析 Sn-Zn/Cu焊点时效后界面显微组织 结论 主要研究内容 经150℃，160小时等温时效后直径750μm、1000μm和1300μm的Sn-Zn/Cu焊点的剪切强度。 直径750μm、1000μm和1300μm的Sn-Zn/Cu焊点剪切后的断口的形貌、组织，断裂形式。 经150℃，160小时等温时效后直径750μm、1000μm和1300μm的Sn-Zn/Cu焊点IMC层厚度、类型及其形貌。 剪切强度结果图 3.1 剪切断口形貌貌变化 断口韧窝内化合物成分分析 断口韧窝内化合物成分分析 3.2 界面金属间化合物厚度变化 3.3 界面IMC组织及形貌分析 界面元素分布 界面元素分布 界面元素分布 随着焊球尺寸的增大，时效后Sn-Zn/Cu焊点剪切强度先减小后增大 时效后，随焊球直径的增大，界面化合物层厚度增大 焊点直径为750μm，Cu原子与Sn、Zn在界面处形成的化合物可能为Cu6Sn5和Cu5Zn8的混合物 焊点直径为1000μm，Cu扩散到钎料内，与Zn原子形成Cu5Zn8，与Sn、Zn原子形成(Cu、Zn)6Sn5，这两种化合物呈交叉分布 焊点直径为1300μm，Cu原子并未扩散出界面，在界面处与Sn 、 Zn原子形成(Cu、Zn)6Sn5和Cu5Zn8，这两种化合物并且交叉分布 * * 主要研究内容 Sn-Zn/Cu焊点时效后剪切强度结果 与分析 Sn-Zn/Cu焊点时效后界面显微组织 结论 测试结果表明Sn-Zn/Cu焊点时效后： （1）焊球直径从750μm增加到1000μm时，焊点剪切强度呈现下降趋势； （2）焊球直径从1000μm增加到1300μm时，焊点剪切强度呈现上升趋势。 22.88 22.31 -- -- -- 18.5 18.3 18.1 25.5 27.5 23.9 29.5 15.1 24.4 1300 20.21 12.30 15.3 11.7 11.8 12.2 11.3 10.7 12.2 10.7 13.2 13.9 13.4 14.7 1000 21.27 6.80 -- -- -- -- -- 7.2 7 7.7 8.1 5 4.8 7.8 750 焊点12 焊点11 焊点10 焊点9 焊点8 焊点7 焊点6 焊点5 焊点4 焊点3 焊点2 焊点1 剪切强度/MPa 平均剪切力/N 焊点最大剪切力/N 焊点直径/μm 21.27 20.21 22.88 主要研究内容 Sn-Zn/Cu焊点时效后剪切强度结果 与分析 Sn-Zn/Cu焊点时效后界面显微组织 结论 a)直径750μm；b)直径1000μm；c)直径1300μm c) b) a) 断口都呈抛物线形，同为典型的剪切韧窝 直径为750μm时韧窝内化合物较多； 直径1000μm时韧窝较直径为1300μm的大； 直径为1300μm时韧窝较明显且韧窝内有较多化合物 ZAF Correction Matrix 62.07 60.03 ZnK 32.65 30.69 CuK 05.29 09.28 SnL At% Wt% Element 韧窝底部化合物成分应为Cu5Zn8，即剪切断裂位置在Cu5Zn8金属间化合物处。 直径750μm焊点断裂处的面扫描结果 ZAF Correction Matrix 09.68 05.74 ZnK 06.18 03.57 CuK 84.14 90.69 SnL At% Wt% Element 直径750μm焊点韧窝壁的点扫描结果 由分析结果可以看出，韧窝壁主要成分为钎料，这说明断裂位置主要在Cu5Zn8金属间化合物处。 b) IMC a) 11.5 6.05 6.64 a)焊球直径1300μm；b)IMC厚度 随着BGA焊球直径的增大， IMC层厚度逐渐增大。这可能是随焊球直径的增大，焊球与Cu焊盘的接触面积增大，焊接过程中，润湿面积增大，时效后IMC厚度增大。 a) c) b) a)焊球直径750μm，b)焊球直径1000μm c)焊球直径1300μm 组织界面由基体钎料和向钎料内扩散的颗粒状化合物相组成，随焊球直径的增大，向钎料内扩散的颗粒状化合物减少，扩散的距离也减小 。 结合Cu-Sn相图以及Cu-Zn相图可以判断出，界面处化合物可能为Cu6Sn5和Cu5Zn8的混合物。其原因可能是经时效后，Cu焊盘上的Cu原子向钎料侧扩散，而钎料内的Zn、Sn原子向Cu焊盘一侧扩散，由于IMC厚度较小，Cu原子和Zn、Sn原子在界面处相遇并形成化合物。