稀土添加对Sn-Ag-Cu和Sn-BI-Cu无铅钎料组织和性能的影响

摘要

具有优良性能的锡铅钎料在人类科技发展历程中起了重要作用，然而也给人类和自然带来很大的危害。随着人们环保意识的增强，无铅焊料的研究已成为当今材料连接领域的焦点。目前，钎料研究主要集中在成分及配比、微合金化等方面。近年来，有研究发现钎料微合金化和熔体热历史会影响合金最终的组织和性能，因此，深入研究微量元素及熔体结构转变对钎料组织和性能的影响以及开发新型无铅钎料具有重要意义。　　本文以Sn-3.8Ag-0.7Cu和Sn-5Bi-0.7Cu两种无铅钎料为研究对象，通过电阻率实验、铁模凝固实验、铺展实验以及剪切实验研究添加稀土元素Ce(x=0％、0.2％、0.3％、0.5％、1.0％、2.0％)和温度诱导的熔体结构转变对两种钎料组织和性能的影响。主要研究内容及实验结果如下:　　(1)通过直流四电极法研究了Sn-3.8Ag-0.7Cu-xCe和Sn-5Bi-0.7Cu-xCe钎料连续两轮升降温过程中的电阻率-温度关系，发现这些钎料均存在温度诱导的液-液结构转变，并且这种转变是部分可逆的。稀土元素Ce的加入提高了合金的熔点，增大了Sn-3.8Ag-0.7Cu合金的熔程，但减小了Sn-5Bi-0.7Cu合金的熔程。　　(2)对Sn-3.8Ag-0.7Cu-xCe和Sn-5Bi-0.7Cu-xCe钎料合金进行凝固实验，结果表明:添加微量的Ce可以细化钎料组织且当Ce添加量为0.2％时，凝固组织最细小、均匀，当Ce的添加量高于0.2％时，随着Ce含量的增加，组织变得粗大。同时，熔体结构转变也细化了合金的凝固组织，使得组织更加细小，均匀。　　(3)将铁模凝固得到的钎料试样在铜板上进行铺展实验，发现添加微量Ce元素可显著提高Sn-3.8Ag-0.7Cu与Sn-5Bi-0.7Cu钎料的润湿性能，当Ce的添加量在0.2％左右时，两种钎料的润湿铺展性能最佳。随后，随着Ce含量增加，铺展面积逐渐降低。另外，熔体结构转变同样会提高钎料的润湿性能。　　(4)采用拉伸实验测试Sn-3.8Ag-0.7Cu-xCe钎料合金/Cu搭接接头的剪切强度。结果表明:随着Ce含量的增加，钎料接头的剪切强度呈先增大后降低趋势，当Ce的添加量为0.2％时，接头的剪切强度最高。同样，熔体结构转变也提高了钎料接头的剪切强度。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 液态金属的结构

1．2．1 液态金属结构的认识

1．2．2 液态金属结构的研究现状

1．2．3 液态金属结构的研究方法

1．3 液态金属热历史对凝固的影响

1．4 无铅钎料的研究概况

1．4．1 无铅焊料的研究进展

1．4．2 常用无铅钎料的性能和应用介绍

1．5 本文研究的主要内容及其意义

第二章 实验研究内容及方法

2．1 引言

2．2 电阻率实验

2．2．1 测量原理

2．2．2 实验设备及装置图

2．2．3 样品的制备及实验过程

2．2．4 实验注意事项

2．3 凝固实验

2．3．1 实验方案

2．3．2 实验设备

2．3．3 实验步骤

2．3．4 实验注意事项

2．4 润湿性实验

2．4．1 实验方案

2．4．2 实验设备及工艺参数

2．4．3 具体实验步骤

2．4．4 实验注意事项

2．5 钎焊接头剪切实验

2．5．1 实验步骤和设备

2．5．2 剪切强度计算

2．5．3 实验注意事项

第三章 Sn-Ag-Cu(Ce)和Sn-Bi-Cu(Ce)合金电阻率-温度行为研究

3．1 引言

3．2 实验内容

3．3 Sn-Ag-Cu(Ce)合金电阻率实验结果及分析

3．3．1 Ce的添加对Sn-Ag-Cu(Ce)合金熔化温度及熔程的影响

3．3．2 Sn-Ag-Cu(Ce)合金液态电阻率随温度的变化规律

3．4 Sn-Bi-Cu(Ce)合金电阻率实验结果及分析

3．4．1 Ce的添加对Sn-Bi-Cu(Ce)合金熔化温度及熔程的影响

3．4．2 Sn-Bi-Cu(Ce)合金液态电阻率随温度的变化规律

3．5 本章小结

第四章 Ce的添加及熔体结构转变对合金凝固组织的影响

4．1 引言

4．2 实验内容

4．3 Sn-Ag-Cu(Ce)合金铁模凝固实验

4．3．1 Sn-Ag-Cu(Ce)铁模冷却凝固实验结果

4．3．2 Ce的添加及熔体结构对Sn-Ag-Cu(Ce)凝固组织影响及分析

4．4 Sn-Bi-Cu(Ce)合金铁模凝固实验

4．4．1 Sn-Bi-Cu(Ce)铁模冷却凝固实验结果

4．4．2 Ce的添加及熔体结构对Sn-Bi-Cu(Ce)凝固组织影响及分析

4．5 本章小结

第五章 Ce的添加及熔体结构转变对合金性能的影响

5．1 引言

5．2 实验内容

5．2．1 润湿性实验内容

5．2．2 剪切实验内容

5．3 Sn-Ag-Cu(Ce)和Sn-Bi-Cu(Ce)合金润湿性结果与分析

5．3．1 Sn-Ag-Cu(Ce)合金润湿性结果

5．3．2 Sn-Ag-Cu(Ce)合金润湿性分析

5．3．3 Sn-Bi-Cu(Ce)合金润湿性结果

5．3．4 Sn-Bi-Cu(Ce)合金润湿性分析

5．4 Ce的添加及熔体结构转变对Sn-Ag-Cu(Ce)接头剪切强度的影响

5．4．1 Sn-Ag-Cu(Ce)接头剪切强度实验结果

5．4．2 Ce的添加及结构转变对Sn-Ag-Cu(Ce)钎料剪切强度分析

5．5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 本文主要内容及结论

6．1．1 Sn-Ag-Cu(Ce)无铅钎料结论

6．1．2 Sn-Bi-Cu(Ce)无铅钎料结论

6．2 本文创新之处

6．3 本文研究前景及展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况