稀土相加速Sn晶须生长及Sn晶须生长机制的研究

摘要

SnAgCu钎料合金中添加适量的稀土可以有效地改善其润湿性、机械强度、疲劳寿命及抗蠕变性能。然而，过量稀土的添加会在其内部形成体积较大的稀土相，暴露于空气中，稀土相将发生氧化，同时，在其表面会出现Sn晶须的快速生长现象。
　　 本文向Sn3.8Ag0.7Cu钎料合金中分别添加了过量的稀土Ce、La、RE（镧铈混合稀土）、Er及Y.系统地研究了稀土相CeSn3、LaSn3、(La0.4Ce0.6)Sn3、ErSn3及YSn3表面Sn晶须的生长情况，包括Sn晶须开始生长的时间、生长速率、数量、形态及尺寸等。研究结果表明：
　　 真空时效条件下，在稀土相的表面不会出现Sn晶须的生长现象，相反地，在大气环境中会出现，表明稀土相的氧化是其表面Sn晶须生长的首要条件，即稀土相氧化产生的压应力将为Sn晶须的生长提供驱动力；稀土相氧化释放的Sn原子将为Sn晶须的生长提供生长源，进而提出了稀土相表面Sn晶须的生长机制：首先，在稀土相的内部形成“Sn晶须核”；然后，“Sn晶须核”被推出表面形成Sn晶须；最后，Sn晶须发生长大.
　　 稀土相CeSn3、LaSn3与(La0.4Ce0.6)Sn3的氧化倾向较大，室温时效条件下，在其表面会生长出大量的线状Sn晶须；150℃时效条件下，由于稀土相剧烈的氧化形成了厚厚的层状稀土氧化物，机械地阻碍了“Sn晶须核”的推出，因此，在其表面不会出现Sn晶须的生长现象。对于稀土相ErSn3与YSn3，由于它们的氧化倾向相对较小，“Sn晶须孕育期”较长，因此，室温时效条件下在其表面会生长出大尺寸的杆状和棒状Sn晶须；150℃时效条件下，在其表面会生长出针状和线状的Sn晶须，且生长速度极快，最高可达1000A/s。
　　 除去传统的杆状、针状、线状、扭结状及包状的Sn晶须，本文首次发现了一些特殊形态的Sn晶须，如菊花状的Sn晶须、不规则片状的Sn晶须、螺旋状的Sn晶须、多次连续转折的Sn晶须、变截面的Sn晶须及搭接、分枝与合并的Sn晶须等。通过对Sn晶须形态及稀土相内部氧化形貌的分析，确定了Sn晶须形态的影响因素，同时提出了Sn晶须的形态机制：“Sn晶须核”的形状决定未来Sn晶须的形态，而根部受力状态的大幅改变也将对Sn晶须的形态产生重要影响。
　　 特别地，变截面Sn晶须的发现打破了人们长期达成的一致——Sn晶须具有恒定的截面。由于K.N.Tu提出的Sn晶须生长能量方程无法解释Sn晶须的变截面生长现象，因此，其存在一定的局限性。本文通过对稀土相表面Sn晶须生长特点的分析，修正了K.N.Tu提出的Sn晶须生长能量方程，并提出了Sn晶须的变截面生长机制：Sn晶须生长速度与其根部Sn原子供给的不协调会导致变截面现象的出现。
　　 最后，在稀土相表面Sn晶须生长机制的基础上，综合再结晶机制及氧化层破裂机制，提出了Sn晶须生长的“双应力区”假设：Sn晶须在生长过程中需形成两个应力区，“低应力区”和“高应力区”。Sn晶须根部的应力区被称为“低应力区”；Sn晶须根部附近与“低应力区”相通的应力区被称为“高应力区”。“低应力区”提供了Sn晶须生长的驱动力，“高应力区”与“低应力区”之间的应力梯度提供了Sn晶须生长所需的Sn原子。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 课题背景

1.2.1 Sn晶须的生长现象及其危害

1.2.2 电子行业对无铅镀层的要求

1.3 Sn晶须的研究进展

1.3.1 Sn晶须的研究历史

1.3.2 Sn晶须的生长机制

1.4 Sn晶须生长的抑制方法

1.5 Sn晶须生长的加速方法

1.6 选题的目的及意义

1.7 课题目标及主要研究工作

第2章 SnAgCu稀土钎科合金性能的研究

2.1 引言

2.2 试验方法

2.2.1 合金设计及制备

2.2.2 熔化温度

2.2.3 铺展性能试验

2.2.4 力学性能测试

2.2.5 显微组织观察

2.3 试验结果与讨论

2.3.1 熔化特性

2.3.2 铺展性能

2.3.3 力学性能

2.3.4 显微组织

2.3.5 高温时效过程中显微组织的演化

2.4 本章小结

第3章 稀土相表面Sn晶须的生长

3.1 引言

3.2 试验方法

3.3 试验结果与讨论

3.3.1 稀土相表面Sn晶须的生长

3.3.2 稀土含量对Sn晶须生长的影响

3.3.3 时效温度对Sn晶须生长的影响

3.4 本章小结

第4章 稀土相表面Sn晶须的生长机制

4.1 引言

4.2 稀土相表面Sn晶须的生长机制

4.2.1 稀土相CeSn3表面Sn晶须的生长机制

4.2.3 稀土相LaSn3表面Sn晶须的生长机制

4.2.3 稀土相(La0.4Ce0.6)Sn3表面Sn晶须的生长机制

4.2.4 稀土相ErSn3表面Sn晶须的生长机制

4.2.5 稀土相YSn3表面Sn晶须的生长机制

4.3 本章小结

第5章 Sn晶须的形态及形成机制

5.1 引言

5.2 传统形态的Sn晶须

5.2.1 杆状及棒状的Sn晶须

5.2.2 针状或线状的Sn晶须

5.2.3 其它形态的Sn晶须

5.3 特殊形态的Sn晶须

5.3.1 菊花状的Sn晶须

5.3.2 扭曲状及螺旋状的Sn晶须

5.3.3 不规则片状及规则条状的Sn晶须

5.3.4 多次连续转折的Sn晶须

5.3.5 Sn晶须的旋转生长

5.3.6 Sn晶须的间断生长

5.3.7 Sn晶须的变截面生长

5.3.8 Sn晶须的分枝、合并及搭接现象

5.3.9 大尺寸根部的Sn晶须

5.4 Sn晶须形态的形成机制及影响因素

5.4.1 Sn晶须的形态机制

5.4.2 Sn晶须的变截面生长机制

5.4.3 Sn晶须的转向生长机制

5.4.4 Sn晶须的旋转生长机制

5.4.5 Sn晶须的分枝及合并生长机制

5.5 本章小结

第6章 Sn晶须生长的双应力区假设

6.1 引言

6.2 Sn晶须生长的能量方程

6.3 Sn晶须生长的“双应力区”假设

6.3.1 稀土相表面Sn晶须的生长

6.3.2 Sn镀层表面Sn晶须的生长

6.3.3 Sn晶须生长的停止

6.3.4 Sn晶须生长的抑制方法

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢