Sn-58Bi钎料的快速凝固制备及组织性能研究

发布时间：2020-10-20 22:20

　　 Sn-58Bi共晶钎料熔点低、润湿性能好、价格便宜,且室温下具有较高的抗蠕变性、抗疲劳性、屈服强度和剪切强度,非常适用于分级封装中的外层封装和对温度敏感性强的电子元器件焊接。但Sn-58Bi合金铸态组织粗大,合金脆性高,导致塑性加工困难。因此,细化组织,降低脆性,改善加工性能及使用性能,是关于Sn-58Bi共晶钎料研究所面临的主要问题之一,目前采用常规的铸造轧制法较难制备出符合微电子器件使用要求的钎料薄带和各种规格形状的预成型焊片。本工作采用快速凝固技术来代替常规的铸造轧制工艺,以希望实现Sn-58Bi共晶钎料薄带工业化批量生产,对推动微电子封装钎料的无铅化进程有着重要意义。实验以Sn-58Bi共晶合金为研究对象,分别采用铸造轧制法和双辊快速凝固法制备出钎料薄带,借助光学显微镜、扫描电子显微镜、电子探针仪、X射线衍射分析、示差扫描量热法、平板压弯法和MTS陶瓷拉伸试验系统等测试手段和方法,对Sn-58Bi钎料薄带的显微组织、成分分布、物相组成、熔化特性、韧性和焊点剪切强度进行对比分析。并添加少量Ag元素,进一步改善快速凝固Sn-58Bi共晶钎料的组织性能。研究结果表明:采用自主研制的双辊快速凝固装置成功制备出Sn-58Bi钎料薄带,其合适的制备工艺参数为:双辊间隙为0.2mm;喷射距离为15mm;喷嘴为4×Ф2mm多孔圆形喷嘴;浇注温度为180℃;激冷辊线速度为7m/s。Sn-58Bi共晶合金铸态组织由初生β-Sn相和共晶组织(β-Sn+Bi)组成,铸锭热轧后树枝状初生β-Sn相被破碎,沿着轧制方向呈长条状分布,组织细化。快速凝固制备的Sn-58Bi钎料显微组织细小均匀,无初生β-Sn相形成,Bi在β-Sn相的固溶度增加,但冷却速度的增加没有引起新相的形成。快速凝固法制备的Sn-58Bi钎料合适的退火工艺为在130℃下退火1h,退火后韧性明显提高,β-Sn相中Bi元素向外扩散,晶粒尺寸变得均匀。相比较于铸造轧制法,快速凝固法制备的Sn-58Bi钎料固、液相线均有降低,固液温度差减小了2.6℃,钎料在Cu基板上润湿性更好,焊点剪切强度从19.93MPa提高到22.29MPa。铸造轧制法制备Sn-58Bi钎料焊接接头断裂方式为解理断裂,而快速凝固法制备Sn-58Bi钎料焊接接头断裂方式为沿晶断裂。添加1.0%Ag后快速凝固Sn-58Bi钎料显微组织明显细化,晶粒尺寸变得均匀,改善效果最为显著。当Ag添加量超过1.0%时,显微组织有粗化的趋势。添加Ag元素后钎料在快速凝固过程中生成了亚稳相Ag_(6.7)Sn相。添加Ag元素对钎料固、液相线温度和熔化区间影响不大。钎料在熔化过程中Bi易偏聚在熔体表面降低熔体表面张力,但Ag_(6.7)Sn相会阻碍Bi向熔体表面偏聚,降低钎料润湿性。随着Ag添加量增加,快速凝固Sn-58Bi钎料显微硬度逐渐增加,焊接接头剪切强度先增加后降低。Ag的添加没有改变焊接接头断裂方式,仍为沿晶断裂。综合考虑,1.0%Ag为快速凝固Sn-58Bi钎料较合适添加量。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG425;TG244.3
【部分图文】：

（1）单辊法单辊法原理图如图1-1所示。熔融的金属液从喷嘴流出，喷射到激冷辊面上，被高速旋转的辊面拉成液膜，然后在离心力的作用下甩出，形成连续带材，从而实现快速凝固。（2）双辊法双辊法原理图如图 1-2 所示，它是将熔融的金属液流喷射到两个反向高速旋转的激冷圆辊之间，受圆辊的激冷和轧制作用形成薄带，并实现快速凝固。图 1-1 单辊法快速凝固原理图

）溢流法法原理图如图 1-3 所示，该方法是在单辊法的基础上进一步的属液在喷射过程中不容易产生紊流，有利于金属薄带的成形。图 1-2 双辊法快速凝固原理图

10深过冷法于大尺寸试件，只能通过抑制凝固过程中形核，减少凝固过程中其在较为缓慢的冷却条件下也才产生极大的过冷度，才能完成快度为△T 的条件下，质量热熔为 c 的熔体凝固过程中需导出的实际潜热△h 的关系可表示为， = 图 1-3 溢流法快速凝固原理图
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本文编号：2849229