微量添加元素对Sn-0.7Cu无铅钎料性能的影响

摘要

在电子封装行业中，随着人们环保意识的增强，各国已相继出台法规限制Sn-Pb钎料的使用。目前，全球已经研究和开发了几十种无铅钎料来替代传统的Sn-Pb钎料。其中Sn-0.7Cu钎料以其良好的经济性被广泛应用于无铅波峰焊接当中，但其仍存在抗拉强度较低、润湿性差、高温组织不稳定等缺点。微合金化是一种有效提高锡基无铅钎料性能的有效途径。本文主要研究和分析在Sn-0.7Cu钎料中添加微量的Co、Ni元素后对其性能的影响。　　 通过DSC测试发现添加微量的Co、Ni元素可以使Sn-0.7Cu钎料的熔点降低1-2℃；Co元素的添加可以使Sn-0.7Cu钎料的过冷度降低12℃左右。通过金相组织观察和力学性能实验可以发现添加微量的Ni元素可在Sn-0.7Cu钎料组织中形成大颗粒的(Cu，Ni)6Sn5化合物，并改善了合金的塑性。添加Co元素后，会在Sn-0.7Cu钎料组织中出现针状或短棒状的CoSn2化合物，增加了合金的抗拉强度。　　 通过铺展性实验发现，在Sn-0.7Cu钎料中添加了Ni元素后其铺展性能得到了明显的提升。添加Co元素对其铺展性能影响不大，并且氮气环境下焊接可以显著提升钎料的铺展性能。添加了Co和Ni元素后Sn-0.7Cu钎料与铜基板反应后生成的界面IMCs层由扇贝状变成层状，厚度变厚，并且能够显著抑制时效过程中Cu3Sn化合物的生长。　　 通过对钎焊接头的蠕变性能实验得到Sn-0.7Cu钎焊接头时效前的蠕变性能要高于Sn-0.7Cu-0.1Co-0.05Ni钎焊接头。但时效后，两者的蠕变性能都出现急剧的降低，并且Sn-0.7Cu-0.1Co-0.05Ni钎焊接头的蠕变性能优于Sn-0.7Cu钎焊接头。通过组织观察可以得出在Sn-0.7Cu中添加Co、Ni元素后可以增加它的组织稳定性。通过蠕变激活能以及应力指数判定两种钎料钎焊接头的稳态蠕变机理为位错管道扩散控制下的位错攀移机制，实验得到了两种钎料钎焊接头在低温区高应力状态下的蠕变本构方程为：Sn-0.7Cu钎焊接头为：ε=2.40×1033(G/T)(τ/G)9.78exp(-5.04×104/RT)Sn-0.7Cu-0.1Co-0.05Ni钎焊接头为：ε=2.09×1029(G/T)(τ/G)8.77exp(-4.32×104/RT)。

目录

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英文文摘

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第一章绪论

1.1电子封装无铅化的背景

1.1.1 Sn-Pb钎料的使用

1.1.2铅的危害

1.1.3无铅钎料的立法

1.2无铅钎料的发展

1.2.1无铅钎料的设计要求

1.2.2目前开发的无铅钎料及其分类

1.2.3无铅钎料研究的发展趋势

1.3电子封装技术的发展及钎料无铅化对其影响

1.3.1电子封装技术的发展

1.3.2电子封装可靠性问题

1.3.3钎料无铅化对电子封装钎焊技术的影响

1.4 Sn-Cu共晶无铅钎料

1.5本课题的研究内容及意义

第二章合金成分的设计、DSC及力学拉伸性能测定

2.1合金成分设计及熔炼

2.1.1 Co元素的添加

2.1.2 Ni元素的添加

2.1.3合金配比的选择

2.1.4合金原材料的选择与熔炼

2.2合金DSC曲线的测定

2.2.1实验方法

2.2.2实验结果

2.3 SC-xCo-yNi钎料的组织特征

2.3.1试样的制备

2.3.2钎料的焊态组织分析

2.3.3钎料的准平衡态组织分析

2.4 SC-xCo-yNi钎料力学性能测试

2.4.1试样制备及实验方法

2.4.2实验结果及分析

2.5本章小结

第三章微量Co-Ni对Solder/Cu界面反应及润湿性的影响

3.1固-液界面的润湿

3.1.1影响钎料润湿性能的因素

3.1.2润湿性的评定

3.2铺展实验方法及结果

3.2.1实验方法

3.2.2回流焊工艺曲线的设计

3.2.3铺展实验结果及分析

3.3 Solder/Cu的界面化合物(IMCs)分析

3.3.1界面IMCs的形成过程

3.3.2界面IMC的形貌

3.3.3钎焊过程中Cu-Sn化合物的溶解

3.3.4 Co-Ni对Solder/Cu界面IMCs形貌影响的机理

3.3.5高温时效对界面工MCs的影响

3.4本章小结

第四章SC-xCo-yNi钎焊接头蠕变性能的研究

4.1合金的蠕变理论

4.1.1合金的蠕变

4.1.2蠕变变形的机制

4.2 SC-xCo-yNi钎焊接头的剪切蠕变实验

4.2.3试样的制备

4.2.4蠕变实验方法

4.3实验结果

4.4蠕变本构方程的构建

4.4.1蠕变激活能的确定

4.4.2常数A和应力指数n的确定

4.4.3 SC-xCo-yNi钎焊接头的蠕变本构方程

4.5蠕变机理及组织分析

4.5.1 SC-xCo-yNi钎焊接头的蠕变机理

4.5.2显微组织分析

4.6本章小结

第五章结论

参考文献

致 谢