SnAg(Cu)系无铅焊料熔体结构状态与凝固组织及润湿性的相关性探索

摘要

焊料的无铅化，在国内外电子、信息等领域已成为必然趋势。然而，对无铅焊料的研究主要集中在成分选择、配比的优化以及微量元素对诸种性能的影响上。很少有人关注无铅焊料本身的制备条件，比如影响金属熔体结构与性质的热历史条件。本文以最具潜力的无铅焊料SnAg(Cu)系合金作为研究对象，以温度诱导熔体结构转变为切入点，通过改变制备温度及调整微量元素来探索熔体结构和性质的变化规律，进而探索熔体结构对无铅焊料凝固组织及润湿性的影响规律。其主要内容、成果、创新点归纳如下： 1.通过探索若干种不同成分的二元及三元SnAg(Cu)系合金熔体的电阻率-温度行为，发现随合金的差异，其ρ-T曲线上出现不同特征和规律的异常转折，提示发生了两种类型的温度诱导熔体结构转变--可逆转变与不可逆转变。分析认为，可逆转变与熔体中化学短程有序结构相关，不可逆转变与拓扑短程有序结构相关。 2.借助凝固实验发现，经过高温不可逆熔体转变后凝固制备的焊料组织显著细化，其中化合物相形态由粗片状变为均匀分布的细小颗粒。这可能是由于熔体中类固团簇尺寸变小且更为均匀，致使形核过冷度增大、形核率激增，晶粒数增多。 3.通过铺展实验发现，经过不可逆熔体结构转变凝固制备的焊料钎焊性能优越：铺展速率快，接头过渡层薄而均匀，且其厚度变化对钎焊温度时间不敏感。这可能是由于该焊料熔化速率快、熔滴粘度小有利于焊料在铜基板上铺展，同时熔体中细小类固团簇结构不利于反应层生长，因而过渡层生长缓慢且其界面相对平整。而未经转变的熔体结构促进焊料与铜板反应，随钎焊温度升高、时间延长，过渡层厚度显著增加，其界面粗糙度增大，接头组织显著恶化。 本文从熔体结构和性质变化的新视角探寻新型无铅焊料制备工艺，这是一条新颖的技术路线，具有明显的创新特色。这一切入点更有利于寻求其内在物理本质，可降低研究的盲目性，取得其他研究思路所难以得到的研究结果。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章 绪 论

1.1 对金属熔体的认识

1.1.1 液态金属结构理论描述

1.1.2 近年来液态结构研究的新进展

1.1.3 液态合金的热历史对凝固组织及性能影响的有关研究

1.1.4 液态结构研究方法概述

1.2 无铅焊料的研究与产业现状

1.2.1无铅焊料的研究现状

1.2.2无铅焊料的产业现状

1.3 本文的研究内容和研究意义

第二章 实验研究内容及方法

2.1 电阻率实验

2.1.1 测量原理

2.1.2 实验设备及试样的制备

2.1.3 实验中需要考虑的主要问题及解决办法

2.2 凝固实验

2.2.1 热分析曲线的测量

2.2.2 实验仪器

2.2.3 实验步骤

2.2.4 实验中需要考虑的问题及解决办法

2.3 铺展实验

2.3.1 润湿性能的表征

2.3.2 实验主要设备

2.3.3 实验步骤

2.3.4 实验中需要考虑的问题及解决办法

第三章 SnAgCu系合金电阻率温度行为的研究

3.1 引言

3.2 实验内容

3.3 电阻率实验分析

3.3.1 二元合金电阻率温度行为

3.3.2 三元合金电阻率温度行为

3.3.3 SnAgCuBi四元合金的电阻率温度行为

3.4本章小结

第四章 熔体结构变化对SnAgCu系合金凝固的影响

4.1 引言

4.1.1 熔体结构变化对临界形核的影响

4.1.2 非平衡凝固的共晶组织

4.2实验过程

4.3 凝固结果分析

4.3.1 二元共晶成分Sn96.5Ag3.5凝固行为和凝固组织

4.3.2 三元共晶成分Sn95.8Ag3.5Cu0.7的凝固行为和凝固组织

4.3.3 SnAgCuBi四元合金凝固行为和凝固组织

4.4 本章小结

第五章 熔体结构状态对SnAgCu焊料润湿性能的影响

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 润湿实验结果分析

5.3.1 不同焊料在相同钎焊条件下的铺展情况

5.3.2 新型与传统焊料在不同钎焊条件下的铺展情况对比

5.3.3 钎焊接头组织及其性能分析

5.4 本章小结

第六章 全文总结

6.1 本文的主要研究内容

6.2 本文主要研究结果及结论

6.3 本文的创新之处

6.4 展望

参考文献

硕士期间发表的论文