Sn-8Zn-3Bi-（P，Nd）无铅焊料的组织和性能

摘要

在传统电子行业中，Sn37Pb，Sn40Pb合金是广泛应用于微电子封装及电子产品组装的钎焊连接材料，在所有的电子钎焊材料中占据统治地位。由于硅芯片技术的出现，电子工业继续小型化。元件尺寸的减少，要求焊接点既要保证力学性能又要保证电气性能，这对Sn-Pb焊料的强度、蠕变以及抗疲劳强度提出了挑战。同时，常用焊料元素为Pb、Cd、Sb、Ag、Cu、Al、Sn、Zn、In和Bi，其中Pb的毒性最大。含铅焊料的大量使用给生态环境带来了严重的威胁，各国纷纷立法，禁止含Pb焊料在电子电器设备中使用。开发无铅焊料替代传统的锡铅焊料已经成为世界关注的课题。Sn-zn系焊料由于熔点最接近传统焊料，有望成为新一代的无铅焊料。Sn-8Zn-3Bi三元合金(即ZB83合金)是一种典型的Sn-Zn系无铅焊料，其润湿性、热学特性、力学性能等匹配良好，是一种有前途的无铅焊料合金。但是由于sn-zn系合金的润湿性、抗氧化性问题并没有得到根本解决，在实际生产中往往要求增加焊剂活性或气氛保护以帮助焊料获得良好的润湿，因此这种焊料难以被广泛应用。 本文以ZB83合金为研究对象，通过优化熔炼工艺和采用合金化的方法提高其综合性能。在前期工作中，通过对ZB83合金采用多种方法进行熔炼制备，并测出每一种工艺下焊料合金的TGA曲线、拉伸强度和塑性。从而选出最为优化的一种熔炼工艺。本论文各种合金都是在优化以后的熔炼工艺下制备的。实验结果表明，在优化后的熔炼工艺下，合金组织明显细化，抗氧化、润湿性、力学性能和接头强度同时提高。 在ZB83合金中加入P，合金微观组织中出现了粗大的针状富zn相，随着P含量增加，针状富Zn相的含量也增加。P元素的加入对ZB83合金的熔点及熔程影响较小。热重分析结果表明，在相同的实验条件下，含P合金的氧化增重量均小于母合金。铺展性实验表明，含P合金的铺展面积均大于母合金。此外，P元素的加入对焊料合金的强度并无太大的影响，但明显降低了其塑性。 在ZB83合金中加入少量Nd，有利于组织细化，初生Zn相的含量和尺寸都明显减小，随着Nd含量的增加，初生Zn相的含量和尺寸均增加。Nd元素的加入对ZB83合金熔点影响较小，略微提高了其熔程。热重分析结果表明，在相同的实验条件下，含Nd合金的氧化增重量均小于母合金。铺展性实验表明，含Nd合金的铺展面积均大于母合金。此外，Nd的加入对焊料合金的强度并无太大的影响，但却明显改善了其塑性。 P、Nd混合添加对ZB83合金的组织、相变温度、抗氧化性、润湿性、力学性能及接头强度有明显影响。实验结果表明，少量P和少量Nd混合添加可以获得综合性能优越的焊料合金。在本文配置的15种焊料合金中，Sn-8Zn-3Bi-0.05Nd-0.10P合金(即ZB83-NO5-P10合金)的综合性能最好。其微观组织中的颗粒状富zn相尺寸最小。熔点为189.0℃，熔程为15.9℃。ZB83-NO5-P10合金的抗氧化性能最好，其氧化量为ZB83母合金氧化量的6.9％。其铺展面积也最大，为43.18mm<'2>，高于同等条件下Sn40Pb的铺展面积42.20mm<'2>。P、Nd合金元素的加入降低了焊料合金的接头剪切强度。ZB83-NO5-P10合金的接头剪切强度为47MPa，低于ZB83合金的接头剪切强度56MPa。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1焊料

1.1.1钎焊

1.1.2软焊料在电子封装技术中的应用

1.1.3软钎焊材料的产品形式

1.2无铅焊料的研究背景

1.2.1 Sn-Pb焊料带来的环境问题

1.2.2无铅焊料的立法

1.3无铅焊料

1.3.1无铅焊料的性能要求

1.3.2无铅焊料的研究进展

1.3.3各国主要公司的研究进展

1.4 Sn-Zn系无铅焊料的研究现状

1.4.1 Sn-Zn-Bi焊料

1.4.2 Sn-Zn-A1

1.4.3 Sn-Zn-Ag

1.4.4 Sn-Zn-(In，Cu)

1.4.5 Sn-Zn-(Re，Ga，P)

1.4.6 Sn-Zn系无铅焊料亟待解决的关键问题

1.5本论文的研究目的及主要内容

1.5.1研究目的

1.5.2研究内容

参考文献

第二章实验过程及研究方法

2.1研究的工艺路线

2.2合金的成分设计

2.3合金制备

2.3.1原材料的准备

2.3.2熔炼

2.4合金性能测试

2.4.1熔点测试(DSC)

2.4.2热重分析(TGA)

2.4.3铺展性实验

2.4.4焊料力学性能测试

2.4.5焊点剪切强度测试

2.5合金成分、组织和相分析

2.5.1金相显微分析(OM)

2.5.2扫描电镜分析(SEM)

2.5.3断口形貌分析

2.5.4俄歇能谱分析(AES)

2.5.5 X射线衍射分析(XRD)

参考文献

第三章Sn-8Zn-3Bi-(P，Nd)合金的微观组织及相变温度

3.1 ZB83及ZB83-P系合金的微观组织

3.2 ZB83-Nd系合金的微观组织

3.3 ZB83-Nd-P系合金的微观组织

3.4焊料合金的相变温度

3.4.1 ICTA的熔点定义法

3.4.2 ZB83及ZB83-P系合金的熔点及熔程

3.4.3 ZB83-Nd系合金的熔点及熔程

3.4.4 ZB83-Nd-P系合金的熔点及熔程

3.5讨论

3.5.1 ZB83合金的微观组织

3.5.2 P和Nd对ZB83合金微观组织的影响

3.6本章主要结论

参考文献

第四章Sn-8Zn-3Bi-(P，Nd)合金的抗氧化性和润湿性

4.1焊料合金的抗氧化性能

4.1.1 ZB83及ZB83-P系合金的抗氧化性能

4.1.2 ZB83-Nd系合金的抗氧化性能

4.1.3 ZB83-Nd-P系合金的抗氧化性能

4.2焊料合金的润湿性能

4.2.1 ZB83及ZB83-P系合金的铺展性能

4.2.2 ZB83-Nd系合金的铺展性能

4.2.3 ZB83-Nd-P系合金的铺展性能

4.3讨论

4.3.1 P、Nd对ZB83合金抗氧化性能的影响

4.3.2 P、Nd对ZB83合金铺展性能的影响

4.4本章主要结论

参考文献

第五章Sn-8Zn-3Bi-(P，Nd)合金的力学性能和接头强度

5.1焊料合金的力学性能

5.1.1 ZB83及ZB83-P系合金的力学性能

5.1.2 ZB83-Nd系合金的力学性能

5.1.3 ZB83-Nd-P系合金的力学性能

5.2接头组织及剪切强度

5.2.1 ZB83合金、ZB83-P30合金和ZB83-N15合金的接头组织及剪切强度

5.2.2 ZB83-N15-P10合金及ZB83-N05-P10合金的接头组织、强度

5.3讨论

5.3.1 P、Nd对ZB83合金力学性能的影响

5.3.2 P、Nd对焊料合金与Cu的接头组织和强度的影响

5.4本章主要结论

参考文献

第六章结论

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文