Ni对Sn-58Bi钎缝界面反应及接头性能的影响

摘要

Sn-Bi系无铅钎料的熔点较低（共晶成分熔点为139℃），能够降低电子元器件及基板在封装过程中的热伤害，在低温无铅钎焊领域具有重要的应用价值。但是Sn-58Bi钎料时效组织稳定性较差，在80℃到130℃的服役环境中Bi相会异常粗化，导致钎料的耐冲击能力变弱。同时钎焊接头的Cu3Sn/Cu界面会出现Bi相的偏析，这种偏析严重降低了钎焊接头的强度和可靠性，致使Sn-Bi系无铅钎料的应用受到极大限制。所以本文提出在恒温时效温度120℃条件下，通过Ni颗粒强化钎料基体，Cu基板表面镀Ni改性，以及前两种机制下的Ni联合作用，研究三种工艺条件下Ni对Sn-58Bi钎缝界面反应及接头性能的影响，主要研究结果表明：
　　当Sn-58Bi钎料中添加Ni颗粒时，可有效细化局部钎料组织，同时钎缝界面形成的IMC（金属间化合物）为(Cu，Ni)6Sn5，促进了Cu和Sn的扩散平衡，抑制Bi相在IMC/Cu钎缝界面的偏析。在时效反应阶段Ni颗粒的添加可以抑制钎料组织内部Bi相的偏聚，同时在钎缝界面IMC阻挡层的作用抑制了Cu原子扩散速度，间接抑制了钎缝界面Bi相的偏析。不仅提高了Sn58Bi-Ni钎料焊缝接头在低温服役环境下的组织稳定性，而且钎焊接头在服役环境中的力学性能得到了提升。
　　当在Cu基板表面镀Ni改性时，由于镀层中的高熔点Ni元素促进了钎料内部细化，Bi相在钎料组织内部偏聚得到延缓，界面形成的Ni3Sn4结构稳定不易发生两相区转变，阻碍了Bi相在界面的偏析。并且在时效反应阶段，钎缝界面IMC层和Ni-P阻挡层的共同作用，Cu元素的扩散速度大幅降低，在钎缝界面Bi的偏析得到有效抑制。整体提高Sn-58Bi/Cu(Ni)钎缝接头在低温服役环境下的组织稳定性和钎焊接头力学性能。
　　在未时效阶段，当Ni联合处理时，不仅解决了Sn-58Bi钎料中添加Ni颗粒时，导致的钎缝界面IMC层的厚度过厚，造成钎缝接头的力学性能下降。而且解决了在Cu基板表面镀Ni改性时，导致IMC层的生长得到抑制，造成钎缝接头力学性能不佳问题。并且在时效反应阶段，Ni联合处理工艺条件时，Cu元素的扩散速度大幅下降，IMC层的生长速率达到三种工艺条件时最低，Bi在IMC/Cu(Ni)界面的偏析得到进一步抑制，因此钎缝界面组织稳定性得到进一步提高。Sn58Bi-Ni/Cu(Ni)钎缝接头的力学性能得到整体大幅提升。
　　由三种工艺条件对钎缝界面IMC层的生长速率常数的影响可知：在Ni联合处理中Sn58Bi-0.5Ni/Cu(Ni)钎缝界面IMC层的生长速率最低，且比Sn-58Bi/Cu接头界面IMC层的生长速率下降了96.19％。说明在Ni联合处理条件下，IMC层的生长速率得到有效抑制，延长了钎焊接头在服役时效过程中的使用寿命。
　　通过三种工艺条件下对钎缝接头力学性能的影响，发现在Ni联合处理中Sn58Bi-0.5Ni/Cu(Ni)接头的拉剪强度为三种工艺条件下的最大值。并且在时效9天后，其拉剪强度依然有40.81MPa，同比Sn-58Bi/Cu接头的拉剪强度高出25.67MPa。

目录

第1章 绪论

1.1 课题的研究目的及意义

1.2 Sn-Bi系无铅钎料的研究进展

1.3 本课题主要研究内容

1.4 试验技术路线

第2章 试验方案

2.1试验材料及设备

2.2 试验方法

第3章 Ni颗粒对Sn-58Bi钎料组织及性能的影响

3.1 Sn58Bi-Ni系钎料显微组织

3.2 Sn58Bi-Ni系钎料组织稳定性

3.3 Sn58Bi-Ni系钎料/Cu钎缝界面IMC生长行为过程

3.4 Sn58Bi-Ni系钎料力学性能

3.5 本章小结

第4章 Cu基板表面镀Ni对Sn-58Bi钎料组织及性能的影响

4.1 Sn-58Bi共晶钎料在不同基板上的钎料显微组织稳定性

4.2 Sn-58Bi钎料在不同基板上钎缝界面IMC生长行为过程

4.3 Sn-58Bi共晶钎料在不同基板上钎焊接头的力学性能

4.4 本章小结

第5章 Ni联合处理对Sn-Bi系钎料组织及性能的影响

5.1 复合钎料在不用基板上钎料显微组织

5.2 复合钎料在不同基板上钎料组织稳定性

5.3 复合钎料在不同基板上钎缝界面IMC生长行为过程

5.4 复合钎料在不同基板上钎焊接头力学性能

5.5 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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