无铅合金钎焊接头热疲劳性能的研究

摘要

众所周知，含铅钎料(主要是Sn-37 Pb)以良好的物理化学性能，充足的供应及较低廉的价格，长期以来含铅钎料在表面封装的机械和电气连接中一直发挥着重要的作用。在过去的几年中，由于铅和铅制品的毒性对人的身体和环境造成了危害，国际许多大型电子产品生产商和科研机构都越来越关注于Sn-Pb钎料替代品的研究。同时，钎料作为电子产品机械和电器连接中最为薄弱的环节，其高力学性能和服役可靠性的需求也日趋迫切。 目前应用比较广泛的无铅钎料都是以Sn-Ag基二元或三元合金钎料，其中，Sn-3.5Ag和Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料合金被人们视为最有可能替代传统Sn-Pb钎料的无铅钎料。许多研究还表明，稀土元素可以细化晶粒，向Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料合金中添加微量的稀土可以提高其性能。因此，本课题选择共晶Sn-3.5Ag、Sn-3.0Ag-0.5Cu以及Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1RE三种无铅合金钎料作为本次研究的对象。 本课题是对Sn-3.5Ag、Sn-3.0Ag-0.5Cu以及Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1RE三种无铅合金钎料的钎焊接头进行热疲劳试验和残余机械性能的试验。热疲劳试验采用模拟实际工况条件下的温度曲线--40℃至125℃范围的温度曲线，极值温度停留10min，升温和降温时间为5min，对接头进行0、100、250、500的热疲劳循环周期后，观察热疲劳后试样的显微组织和剪切强度变化，从而对Sn-Ag系钎料合金的服役可靠性进行比较和评价。 结果显示，经历不同周期的热疲劳试验后，三种钎料的钎焊接头的显微组织变化及晶界裂纹形成和形貌明显不同。Sn-3.5Ag钎料钎焊接头出现金属间化合物与钎料基体分离的现象，裂纹沿45°角向钎料接头内部扩展；Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料钎焊接头裂纹扩展路径与界面处金属间化合物层平行；Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1RE钎料钎焊接头在经历热疲劳周期后，裂纹在钎料与界面处的金属间化合物层处产生，并远离金属间化合物Cu<,6>Sn<,5>层沿10°角向钎料基体内部扩展。 同时，对热疲劳后的接头试样进行拉剪实验，三种试样的剪切强度存在微小差别，拉剪强度都随着热疲劳周期的增加而降低，但在经历相同热疲劳周期后，Sn-3.0Ag-005Cu钎焊接头的剪切强度高于另外两种钎料的试样。Sn-3.5Ag钎焊接头的拉剪强度下降速率最快，且其剪切强度最低。Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1RE接头的拉剪强度也随着热疲劳周期的增加而下降，但是其下降速率是三种钎料合金中最慢的。 此外，三种材料经历相同热疲劳周期后的断口形貌特征也各不相同。Sn-3.5Ag钎料接头的断口形貌主要呈现出韧性断裂特征；Sn-3.0Ag-0.5Cu钎焊接头断口呈现出脆性和韧性混合特征；Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1RE接头的断口特征也呈现脆性和韧性混合特征，但脆性断裂区域随着热疲劳周期的增加明显多于韧性断裂区域。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2研究背景

1.2.1无铅钎料研究的驱动力

1.2.2无铅钎料的技术要求

1.2.3无铅钎料的可靠性检测

1.3无铅钎料及可靠性研究现状

1.3.1主要传统含铅钎料的替代品

1.3.2主要无铅钎料的热疲劳研究

1.3.3主要无铅钎料的残余机械性能的研究

1.4本课题研究目标及主要研究内容

第2章材料制备及实验方法

2.1实验用接头准备

2.2无铅合金钎焊接头的热疲劳性能的实验方法

2.2.1实验设备与步骤

2.2.2疲劳曲线的设定

2.3热疲劳后钎焊接头的残余力学性能测试与分析方法

第3章无铅合金钎焊接头在热疲劳条件下表面损伤的研究

3.1共晶Sn-3.5Ag钎料钎焊接头热疲劳显微组织的观察与分析

3.1.1共晶Sn-3.5Ag钎料钎焊接头的显微组织观察

3.1.2共晶Sn-3.5Ag钎料钎焊接头热疲劳失效形式的微观分析

3.2 Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料钎焊接头热疲劳显微组织的观察与分析

3.2.1 Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料钎焊接头的显微组织观察

3.2.2 Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料钎焊接头热疲劳失效形式的微观分析

3.3 Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1RE钎料钎焊接头热疲劳显微组织的观察与分析

3.3.1 Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1RE钎料钎焊接头的显微组织观察

3.3.2 Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1RE钎料钎焊接头热疲劳失效形式的微观分析

3.4本章小结

第4章无铅合金钎焊接头热疲劳后的残余力学性能分析

4.1拉剪实验的数据结果与分析

4.1.1无铅钎料拉剪实验的数据结果

4.1.2无铅钎料拉剪实验的数据分析

4.2断口显微形貌的分析

4.3本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢