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SAC305焊料的潤濕性

瀏覽次數(shù):0   更新時(shí)間:6/22/2019 9:02:00 AM 發(fā)布人:admin

SAC305焊料的潤濕性

引言

電子器件封裝后,焊料合金和襯底材料形成的冶金連接為其提供了必不可少的導(dǎo)電

、導(dǎo)熱和機(jī)械連接
,因此焊料合金的焊接性能直接決定著焊點(diǎn)可靠性
,甚至是整個(gè)電子設(shè)備的服役壽命
。其中,焊料合金和襯底材料之間良好的潤濕是確保焊點(diǎn)可靠連接的前提條件
。在焊料無鉛化和電子芯片微型化的進(jìn)程中
,人們正在尋找可以替代SnPb共晶的焊料,目前常用的是Sn3Ag0.5CuSAC305)焊料合金
。但SAC305焊料相比SnPb焊料
,仍然有以下兩點(diǎn)不足:

  1. 由于無鉛焊料的潤濕性比SnPb共晶焊料差,因此在釬焊過程中可能會出現(xiàn)焊料的潤濕性能不能滿足要求
    、焊料的自校準(zhǔn)能力差及焊點(diǎn)可靠性不達(dá)標(biāo)等問題
  2. SAC焊料的熔點(diǎn)(大約490K)高于傳統(tǒng)的SnPb焊料合金(456K),這將導(dǎo)致回流焊或波峰焊過程中焊接溫度的升高
    ,進(jìn)而引起焊料氧化及形成過厚的金屬間化合物
    ,影響了焊點(diǎn)的可靠連接。

潤濕性和潤濕角

潤濕性就是兩種非混相流體呈現(xiàn)于固相介質(zhì)表面時(shí)

,某一流體相優(yōu)先潤濕固體表面的能力
。在電子封裝中,潤濕是液態(tài)焊料在固態(tài)基板表面鋪展能力的度量
。焊料與基板之間的潤濕程度可以用潤濕角θ的大小來表示
,如圖1所示,液態(tài)焊料呈球冠狀
,并構(gòu)成了一個(gè)由固
、液、氣三相組成的界面體系
。從三相接觸點(diǎn)沿液
、氣界面做切線,該切線和固
、液界面的夾角θ稱為潤濕角
θ的大小與接觸各相的界面張力有關(guān),三相接觸點(diǎn)同時(shí)受到三個(gè)力的共同作用:σlg表示液態(tài)焊料與氣相之間的界面張力
σls表示表示液態(tài)焊料與焊盤之間的界面張力
σgs表示表示氣相與焊盤之間的界面張力。三相接觸平衡時(shí)
,合力為零
,液態(tài)焊料表面自由能處于最低狀態(tài)。

1潤濕示意圖

 

電子軟釬焊中

,潤濕性的好壞根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷:

潤濕優(yōu)良:θ<30°

,且在焊點(diǎn)表面上可觀察到一層連續(xù)、均勻
、光滑
、無裂痕和無氣孔的附著良好的焊料

部分潤濕:θ>30°,從潤濕區(qū)域的邊緣上可看到母材金屬表面某些地方被焊料潤濕

,而另一些地方未被潤濕

弱潤濕:在焊盤表面,初始被液態(tài)焊料潤濕

,接著液態(tài)焊料產(chǎn)生部分收縮而形成不規(guī)則的液滴

不潤濕:θ>90°,焊料液滴在焊盤表面未鋪展

,并可用外力除去

SAC305焊料在基板上的潤濕角

        

 2 SAC305焊球在不同基板上不同溫度下的潤濕角

2表示 SAC305焊球在不同基板上隨溫度逐漸變化的潤濕角。根據(jù)數(shù)據(jù)分析

,回流溫度在523K583K范圍內(nèi)時(shí)
,該焊料合金在Cu/NiCu
Cu/Ni/Ag
Cu/Ag、和Cu/Ni/Au等五種基板上均可潤濕
。在同一基板上
,隨著溫度的升高,潤濕角逐漸減小
,表示較高的回流溫度提高了該焊料的潤濕性
。相同回流溫度下,該焊料合金在Cu/Ni
Cu
Cu/Ni/AgCu/Ag
、和
Cu/Ni/Au基板上潤濕角依次減小
,特別是基板中含有
AgAu的情況下變化特別明顯,在基板上的鋪展能力提高

SAC305焊料與基板界面間的金屬間化合物

    3反映了回流溫度為 523K時(shí)

SAC305焊料在Cu/NiCuCu/Ag基板上形成的金屬間化合物形貌
。由圖
3a)可知
Cu/Ni基板與SAC305焊料反應(yīng)形成平坦的暗灰色金屬間化合物層,并在靠近焊料處形成了少量塊狀化合物層
。由圖3b)界面處的元素分布確定該化合物為(CuNi3Sn4
。而Cu
Cu/Ag基板與SAC305均形成了扇貝狀Cu6Sn5金屬間化合物
,相比下3d)中的化合物厚度更大,且出現(xiàn)了細(xì)長的形貌

3 523KSAC305焊料在不同基板上形成的界面形貌:

aCu/Ni

,(b)焊料和Cu界面的元素分布,(cCu和(dCu/Ag

       

4 553KSAC305焊料在不同基板上形成的界面形貌:

aCu/Ni

,(bCu和(cCu/Ag

回流溫度為 553K時(shí)

SAC305焊料在Cu/Ni
CuCu/Ag基板上形成的金屬間化合物形貌如圖(4)所示。Cu/Ni基板上
,暗灰色的層狀金屬間化合物   (Cu
Ni3Sn4厚度增大;Cu基板與焊料形成的Cu6Sn5化合物晶粒更加粗大
Cu/Ag基板上少量金屬間化合物已經(jīng)擴(kuò)散到焊料基體中
,同時(shí)也出現(xiàn)了少量白色絮狀Sn-Ag-Cu化合物。

5 583KSAC305焊料在不同基板上形成的界面形貌:

  1. Cu/Ni
    ,(bCu和(cCu/Ag

回流溫度為 583K時(shí),(Cu

Ni3Sn4化合物厚度進(jìn)一步增大
,扇貝狀的Cu6Sn5化合物長寬比繼續(xù)增大,且大量擴(kuò)散到焊料基體中
。由圖(
3
、(
4)和(5)可知,在523K583K溫度區(qū)間內(nèi)
,溫度越高
,元素?cái)U(kuò)散越充分,潤濕能力越強(qiáng)
。這與圖(
2)中的數(shù)據(jù)是一致的

結(jié)論

1、基板中含有AgAu的情況下

SAC305焊料潤濕基板的能力明顯增強(qiáng)

2、同一基板上

,在523K583K溫度范圍內(nèi)
,溫度越高,焊料元素的擴(kuò)散速率和金屬間化合物的形成速率越快,潤濕性越好

 

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