Sn9Zn纳米复合焊料制备及其低温钎焊铝合金行为

发布时间：2020-09-01 11:57

　　由于铝合金具有较低的密度,良好的导电性和导热性等方面的综合优势,已被普遍应用于LED、波导管换热器等。低温焊接已经成为确保工作部件定位和精度的首选方法,近年来引起了广泛的研究。Sn-Zn系合金已被广泛认为是铝合金低温钎焊最方便可靠的焊料。然而,LED用铝合金需要在180℃以下施焊,目前还未有可使用的焊料。有研究表明,纳米级焊料可以实现在低温下焊接以得到更致密以及良好可靠性的接头。因此,纳米Sn-Zn作为低温钎焊材料具有重要的研究意义,近年来成为LED封装领域的新兴课题之一。本课题从实现低温低压无镀层钎焊的角度出发,主要确定制备纳米颗粒的最佳表面活性剂(PVP)含量,并在Sn9Zn纳米焊料的基础上,添加不同含量的纳米Al_2O_3粒子制备颗粒增强的纳米复合焊料,进而利用其尺寸效应将其应用于低温钎焊,并对Sn9Zn纳米焊料在钎焊方面的应用进行分析讨论。并且系统研究了钎焊工艺参数(连接温度、保温时间等)对钎缝的微观形貌以及机械性能方面的影响规律,并结合XRD、SEM、EDS等测试方法对钎焊界面的连接行为机理进行了探讨。本研究利用液相化学还原法成功合成了低熔点的Sn9Zn纳米焊料。综合比较采用不同含量PVP制得的纳米焊料,结果表明PVP含量显著影响着纳米颗粒的粒径形貌及熔化性能等。当加入10wt.%的PVP时,纳米颗粒的直径为23nm,相较PVP加入量为5wt.%时减小了21.7%。并且熔点与粒径的结果吻合良好,Sn9Zn-P10的熔点为82.35℃,比Sn9Zn-P5的熔点降低了8.51℃。XRD测试表明所制备的纳米焊料为纳米非晶结构,并且PVP含量的增加显著提高了非晶相的比例。利用上述不同PVP含量制备的Sn9Zn钎焊6061Al,Sn9Zn-P10对应于最小孔隙率的Al-Al钎焊接头,接头组织最为致密,在Al基体和烧结的Sn9Zn纳米颗粒之间实现了良好的冶金结合,界面处产生了一层Al_2Zn_3,这是Zn原子和母材原子之间快速扩散的结果。剪切断裂的位置主要位于焊料层中,表现出塑性断裂的特征,同时强度最高为17.6MPa,比Sn9Zn-P5钎焊接头的抗剪强度提高8.64%,其对应的断裂区为界面处。表明PVP含量显著影响着纳米焊料与母材金属之间的冶金反应,且PVP的最佳含量为10wt.%。本文分析了钎焊工艺和纳米Al_2O_3增强相对接头性能的影响,研究表明随着连接温度的上升,接头抗剪强度先增加后下降,180℃的连接温度对应的抗剪强度较160℃时提高了38.58%。而过高的连接温度对应于过多的界面反应层,使接头组织和性能变差。而延长保温时间会使接头的抗剪强度不断增加。保温时间为5min对应的钎焊接头呈现致密的网状结构,并在断面处可观察到一定的塑性变形,其对应的抗剪强度比保温时间为3min增加了37.5%。随着纳米Al_2O_3颗粒的加入,Sn9Zn-xAl_2O_3复合焊料的熔点呈现一定程度的降低,Sn9Zn-5Al_2O_3的熔点比原Sn9Zn纳米焊料的熔点下降了1.21℃。钎焊接头的抗剪强度随着Al_2O_3颗粒添加量的增多先增加后下降,利用Sn9Zn-5Al_2O_3焊料钎焊6061Al获得的接头连接性能良好,断面处出现了韧窝,表现为韧性断裂特征,抗剪强度较原Sn9Zn焊料对应的钎焊接头提高近4.6%。而当纳米Al_2O_3粒子加入量为10wt.%时,断面中出现了偏聚的Al_2O_3粒子,容易形成裂纹源,对接头性能不利,其抗剪强度为17.7Mpa。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG425

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