Sn-Cu-Bi合金液-液结构转变及其对凝固和钎焊性的影响

摘要

近年来，压力或温度诱导液-液结构转变现象的发现打破了液态结构和性质连续渐变的传统认知，深入认识液-液结构转变的物理本质及其规律，对认识液态金属与合金的本质以及新材料的开发无疑具有重要的意义。目前，对无铅钎料的研究和开发仍然局限于成分选择、配比优化及微量元素的影响等方面，很少有人关注熔体热历史对无铅钎料组织和性能的影响。
　　 本文以Sn-0.7Cu-xBi合金(Bi质量分数分别为0％，3％，5％，7.5％和10％)为研究对象，从温度诱导的液-液结构转变这一新视角出发，探索了熔体结构状态变化及其与无铅钎料组织和性能的相关性，同时考察了Bi元素对Sn-0.7Cu钎料组织和钎焊性的影响。主要研究内容及结果如下：
　　 (1)采用直流四电极法研究了熔化过程中Sn-0.7Cu-xBi合金电阻率—温度关系，结果显示Bi的添加降低了合金熔点，同时增大了熔程；而随后连续两轮升、降温的电阻率—温度曲线均出现了异常变化，并在第一轮升温后表现出可逆转变特征。
　　 (2)通过实验探讨了Bi含量、液液结构转变对凝固的影响，发现Bi含量越高，Sn-0.7Cu-xBi合金凝固组织中β-Sn和富Cu相越细小；经历液-液结构转变的Sn-0.7Cu-xBi合金其凝固组织更加均匀、细小。
　　 (3)将由铁模凝固实验所得钎料试样在铜板上进行铺展实验。结果显示Bi的加入提高了Sn-Cu(Bi)钎料的润湿性能，尤其是Bi含量在0～3％时；液-液结构转变对Sn-0.7Cu合金润湿性的影响较为显著。
　　 (4)对铺展实验试样在150℃下进行了0，120，240，480h的时效处理。接头组织观察表明，Bi的添加增大了钎焊态下界面IMC的晶粒尺寸，却抑制了时效过程中IMC的生长；液-液结构转变后的Sn-Cu(Bi)钎料/Cu界面IMC的形成和生长均受到了抑制。
　　 (5)采用单剪搭接接头形式，对Sn-Cu(Bi)钎料/Cu接头剪切强度进行了测试，结果表明，随Bi含量的增加接头剪切强度先增大，后减小，Bi含量在3％时最大；在Bi含量相同时，液-液结构转变提高了钎料本身接头剪切强度。综合看经历液-液结构转变的Sn-0.7Cu-3Bi钎料的综合钎焊性最好。

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文摘

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致谢

第一章 绪论

1.1液态金属结构

1.1.1对液态金属结构的认识

1.1.2液态结构研究方法概述

1.1.3液态金属结构的研究进展

1.2液态合金热历史对凝固组织和性能影响的有关研究

1.3无铅钎料研究概述

1.3.1目前常用无铅钎料体系

1.3.2 Sn-Cu系无铅钎料研究进展

1.4钎料与母材之间的相互作用

1.4.1钎料对母材的润湿

1.4.2钎料与Cu基板的反应

1.4.3固态下IMC的生长机理

1.5本文研究的主要内容及意义

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

2.2.3实验设备及步骤

2.2.4实验注意事项

2.3凝固实验

2.3.1实验仪器及设备

2.3.2坩埚空冷凝固实验

2.3.3铁模冷却凝固实验

2.3.4实验注意事项

2.4润湿性实验

2.4.1实验方法及原理

2.4.2实验设备及工艺参数

2.4.3实验步骤

2.4.4实验注意事项

2.5等温时效处理

2.5.1时效处理方法及设备

2.5.2 IMC厚度的测量

2.5.3实验注意事项

2.6钎焊接头剪切实验

2.6.1实验方法及设备

2.6.2剪切强度计算

2.6.3实验注意事项

第三章 SnCu(Bi)合金电阻率温度行为研究

3.1引言

3.2实验内容

3.3实验结果及讨论

3.3.1 Sn-Cu(Bi)合金熔化温度的测定

3.3.2 Sn-Cu(Bi)合金液态电阻率随温度的变化规律

3.4本章小结

第四章 结构转变及Bi对SnCu(Bi)合金凝固组织和润湿性的影响

4.1引言

4.2实验内容

4.2.1坩埚空冷凝固实验

4.2.2铁模冷却凝固实验

4.2.3铺展实验

4.3 Sn-Cu(Bi)合金坩埚空冷凝固组织

4.3.1 Sn-Cu(Bi)合金凝固组织分析

4.3.2 Bi含量对Sn-Cu(Bi)合金凝固组织的影响

4.4不同熔体状态下Sn-Cu(Bi)合金铁模冷却凝固组织

4.4.1液-液结构转变对Sn-Cu(Bi)合金凝固组织的影响

4.4.2液-液结构转变对Sn-Cu(Bi)合金凝固组织影响机理

4.5不同熔体状态下Sn-Cu(Bi)合金润湿性

4.5.1 Bi对Sn-Cu(Bi)合金润湿性的影响

4.5.2液-液结构转变对Sn-Cu(Bi)合金润湿性的影响

4.6本章小结

第五章 结构转变及Bi对SnCu(Bi)钎料/Cu接头IMC的生长和剪切强度的影响

5.1引言

5.2实验内容

5.2.1等温时效处理

5.2.2接头剪切实验

5.3 Sn-Cu(Bi)钎料/Cu界面IMC的形貌

5.3.1接头界面处IMC的演变

5.3.2 Bi对Sn-Cu(Bi)钎料/Cu界面IMC生长速度的影响

5.3.3液-液结构转变对Sn-Cu(Bi)钎料/Cu界面IMC生长速度的影响

5.4 Sn-Cu(Bi)钎料接头剪切强度

5.4.1 Bi对Sn-Cu(Bi)钎料接头剪切强度的影响

5.4.2液-液结构转变对Sn-Cu(Bi)钎料接头剪切强度的影响

5.5本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1本文主要研究内容及结论

6.2本文的创新之处

6.3本文研究前景及展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文