低温对无铅焊料组织和性能的影响

摘要

在这个丰富多彩、日新月异的世界里，电子产品已成为我们生活中的一部分，随处可见人们使用电子产品、如MP3、手机、电脑、ipad等等。焊料作为电子封装中必不可少的材料，其性能的研究受到各国研究者的青睐。Sn-Pb焊料以其低成本，低熔点，好铺展性和易操作被广泛应用于电子封装工业中，但是，含Pb产品对环境和健康带来不利影响越来越受到人们的重视，各国制定了关于禁止使用含铅焊料的法令。
　　随着高密度组装的实现和使用环境的多样化，电子仪器、设备的使用温度环境也变得越来越苛刻，因此对一些在极端低温下服役的电子产品的可靠性要求也越来越高。于是，无铅焊料在低温条件下的可靠性研究已成为封装技术工程中不可忽视的一个潜在的问题。
　　本文首先制备了铸态SnAg3.0Cu0.5无铅焊料和焊丝、SnAg3.0Cu0.5/Cu焊接接头，以及在无铅焊料Sn-Sb系列的基础上添加Cu、Ni元素，制备铸态SnSb4.5Cu1.5Ni无铅焊料和焊丝、SnSb4.5Cu1.5Ni/Cu焊接接头。把SnAg3.0Cu0.5/Cu焊接接头、SnSb4.5Cu1.5Ni/Cu焊接接头分别放入150℃、180℃的干燥箱中进行高温时效，时效时间分别为0天、1天、2天、3天、4天、5天、10天、15天、20天。采用扫描电镜(SEM)观察并测量金属间化合物的厚度，分析金属间化合物在高温时效过程中的生长机理和过程。再将铸态SnAg3.0Cu0.5无铅焊料和焊丝、SnAg3.0Cu0.5/Cu焊接接头、铸态SnSb4.5Cu1.5Ni无铅焊料和焊丝、SnSb4.5Cu1.5Ni/Cu焊接接头等放在4℃、-10℃、-20℃、-80℃的冰柜中进行冷储存，储存时间为565天。采用万能试验机和疲劳试验机对经冷储存后的铸态SnAg3.0Cu0.5无铅焊料、SnAg3.0Cu0.5/Cu焊接接头、铸态SnSb4.5Cu1.5Ni无铅焊料、SnSb4.5Cu1.5Ni/Cu焊接接头进行拉伸、剪切、疲劳实验，通过金相显微镜、扫描电镜(SEM)观察分析了材料的金相组织、显微组织和拉伸、剪切断口形貌，使用X射线衍射仪(XRD)分析了材料的晶体结构和物相组成，并对铸态SnAg3.0Cu0.5无铅焊料、铸态SnSb4.5Cu1.5Ni无铅焊料的密度和SnAg3.0Cu0.5焊丝、SnSb4.5Cu1.5Ni焊丝的电导率进行了测量。结果表明:
　　对于SnAg3.0Cu0.5无铅焊料而言，其铸态焊料的抗拉强度随着储存温度的降低而降低，在-20℃时达到最小;延伸率经低温储存后有提高的趋势，并保持良好的塑性;SnAg3.0Cu0.5/Cu焊接接头的抗拉强度和剪切强度都随着储存温度的降低而降低;经不同温度冷藏后的焊点拉伸断裂面以及断口断裂形式并不完全一致，总体表现为随着冷藏温度的降低，断口更平整，断裂方式由塑形向脆性转变;经4℃以及-10℃冷藏后的焊点剪切断裂面都在焊料上，表现为塑性断裂，经-20℃以及-80℃冷藏后的焊点剪切断裂方式均为脆性断裂;此外，焊丝的电导率随着储存温度的降低呈波浪起伏变化;焊料密度在-80℃的冷藏温度下达到最大;随着时效时间的增加而Cu3Sn(ε)相层不断变厚，Cu6Sn5相层的厚度随着时效时间的延长呈先升高，后降低，再升高的趋势;通过XRD分析，焊料主要由β-Sn、Ag3Sn两相构成，未能在合金中检测出Ag、Cu单质。
　　对于SnSb4.5Cu1.5Ni无铅焊料而言，其铸态焊料的抗拉强度随着储存温度的降低而降低，在-20℃时最小;延伸率随储存温度的降低逐渐提高，当储存温度为-10℃时，延伸率最大，达到33.51％; SnSb4.5Cu1.5Ni/Cu焊接接头的抗拉强度和剪切强度都随着储存温度的降低而直线下降;在焊接接头拉伸实验中，随着冷藏温度的降低，断裂面位置分别在焊料以及中间化合物、焊料/Cu6Sn5、焊料/Cu6Sn5、金属间化合物Cu3Sn，断裂方式由韧性断裂向脆性断裂过渡;随着冷储存温度的降低，焊点剪切断裂方式由塑形向脆性转变;同时，焊丝电导率随着储存温度的降低呈现直线上升现象;焊丝密度随着储存温度的升高而降低，在4℃时最小;经XRD分析，焊料主要由β-Sn和化合物SnSb、单质Sb三相构成，并未发现Cu、Ni相，合金在低温储存中，未发生晶格畸变。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究意义

1．2 无铅焊料的性能要求

1．3 无铅焊料的发展概况

1．4 无铅焊料的发展现状

1．4．1 Sn-Ag-Cu系无铅焊料

1．4．2 Sn-Zn系无铅焊料

1．4．3 Sn-Sb系无铅焊料

1．5 本论文的研究意义和研究内容

第二章 实验过程及研究方法

2．1 铸态合金的制备

2．1．1 原材料的准备

2．1．2 配料

2．1．3 熔炼工艺

2．2 铸态合金的拉伸性能实验

2．3 焊接接头的力学性能

2．3．1 焊接接头的拉伸性能实验

2．3．2 焊接接头的剪切性能试验

2．4 焊接接头疲劳性测试

2．5 合金的物理性能

2．5．1 密度的测量

2．5．2 电阻率的测量

2．6 金相观察

2．7 等温时效对焊接界面的影响

2．8 X射线物相分析

2．9 扫描电镜观察(SEM)与能谱分析(EDS)

第三章 SnAg3．0Cu0．5焊料的低温性能、组织及时效

3．1 铸态SnAg3．0Cu0．5焊料合金的力学性能

3．1．1 铸态SnAg3．0Cu0．5焊料拉伸强度

3．1．2 铸态SnAg3．0Cu0．5焊料的延伸率

3．1．3 SnAg3．0Cu0．5焊料宏观断口分析

3．1．4 SnAg3．0Cu0．5焊料微观断口分析

3．2 SnAg3．0Cu0．5／Cu焊接接头的力学性能

3．2．1 SnAg3．0Cu0．5／Cu焊接接头的抗拉强度及其断口分析

3．2．2 SnAg3．0Cu0．5／Cu焊接接头的剪切强度及其断口分析

3．3 SnAg3．0Cu0．5焊料物理性能

3．3．1 SnAg3．0Cu0．5焊料电导率

3．3．2 SnAg3．0Cu0．5焊料密度

3．4 SnAg3．0Cu0．5／Cu焊接接头的低周疲劳性能

3．5 SnAg3．0Cu0．5焊料显微组织和物相分析

3．5．1 SnAg3．0Cu0．5显微组织

3．5．2 SnAg3．0Cu0．5焊料XRD物相分析

3．6 SnAg3．0Cu0．5焊料时效

3．6．1 IMC层的固态生长模型

3．6．2 时效过程中IMC组织形貌变化

3．6．3 IMC固态生长规律

3．7 本章小结

第四章 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料的低温性能、组织及时效

4．1 铸态SnSb4．5Cu1．5Ni焊料合金的力学性能

4．1．1 铸态SnSb4．5Cu1．5Ni焊料拉伸强度

4．1．2 铸态SnSb4．5Cu1．5Ni焊料的延伸率

4．1．3 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料宏观断口分析

4．1．4 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料微观断口分析

4．2 SnSb4．5Cu1．5Ni／Cu焊接接头的力学性能

4．2．1 SnSb4．5Cu1．5Ni／Cu焊接接头的抗拉强度及其断口分析

4．2．2 SnSb4．5Cu1．5Ni／Cu焊接接头的剪切强度及其断口分析

4．3 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料物理性能

4．3．1 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料电导率

4．3．2 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料密度

4．4 SnSb4．5Cu1．5Ni／Cu焊接接头的低周疲劳性能

4．5 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料显微组织和物相分析

4．5．1 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料显微组织

4．5．2 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料XRD物相分析

4．6 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料时效

4．6．1 SnSb4．5Cu1．5Ni焊料／Cu组织演变

4．6．2 IMC固态生长规律

4．6．3 时效过程中焊点力学性能的变化

4．7 本章小结

全文总结

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢