Sn58Bi-X无铅钎料组织及性能研究
发布时间：2020-12-16 21:16
随着电子产品小型化、轻薄化、低成本等发展需求,使得因材料热膨胀系数不同带来的翘曲、变形导致的开裂,桥连及球窝等失效风险越来越大,故而降低钎焊温度成为解决失效问题的有效途径。加之环境保护问题成为全球关注的热点问题,无铅钎料的应用已成为必然趋势。因此,研制钎焊温度更低、焊接可靠性更高的无铅钎料已成为在电子封装领域亟待研究的课题。本文以具有较低熔点的Sn58Bi钎料作为研究对象,采用添加Ag、Zn、Sb、Ge的合金化方式改善其组织与性能。并分析讨论了合金元素对钎料、焊点的组织,润湿性能及力学性能的影响,得到如下结论:（1）首次提出了 Sn58Bi-Ag-Zn-Sb-Ge合金体系。与Sn58Bi钎料相比,钎料中生成了Ag5Zn8、Sb2（Sn,Zn）3化合物相,β-sn总量与枝晶含量显著增加,二次枝晶臂间距、共晶片层间距减小,而Ge的添加使组织进一步细化。（2）提出了一种适用于软钎料润湿性能评价的指标——铺展面积系数,且铺展面积系数结果与钎料润湿平衡试验结果更为吻合。Sn58BilAg钎料中添加1wt.%Zn或Sb时,钎料润湿性能明显提高。添加Ag、Zn、Sb和Ge的多元合金化可明显促进钎料润...
【文章来源】：机械科学研究总院北京市
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?Ｓｎ５３Ｂｉ－１２Ｉｎ组织形貌?
Ａｇ３Ｓｎ。??此外，朱路等还发现，随着Ａｇ含量的升高，组织中出现ｅ－Ａｇ３Ｓｎ初生相并逐渐??粗化，并由于凝固过程中的形核质点增加组织发生细化。在Ｓｎ３８ＢｉＯ．?５Ａｇ中添加Ｇｅ，??则会形成均匀分布于Ｓｎ基体中的Ａｇ３Ｓｎ、ＳｎＧｅ点状相，而在Ｓｎ４Ｂｉ２ＡｇＯ．?５ＳＣｕＯ．?ｌＧｅ??中观察不到ＳｎＧｅ的形成［２４’３７１。??Ｉｎ、Ａｌ也会改变显微组织，除了生成０－Ｓｎ初生相和（Ｐ－Ｓｎ?＋?Ｂｉ）共晶外，添加??Ｉｎ会在日－Ｓｒｉ基体中还会析出细小的Ｂｉｉｎ球形颗粒（见图１－１），添加Ａ１会生成??颗状单质Ａ１相，且Ｂｉ相附着Ａ１相生长［３８’ｗ］（见图１－２）。添加０．５ｗｔ．％Ｎｉ时，不??仅会形成Ｎｉ３Ｓｎ４，复合钎料的Ｐ?－Ｓｎ、Ｐ?－ＳｎＢｉ和Ｂｉ相的晶胞体积和晶粒尺寸都减??小，而且发现ＳｎＢｉ－ＩＮｉ钎料经过１２０ｈ时效后微观结构反而变得细化，其中可能的??原因是在时效过程中Ｎｉ可以增加Ｓｎ和Ｂｉ的相互溶解度［｜７］？???編幽??图１－１?Ｓｎ５３Ｂｉ－１２Ｉｎ组织形貌?图１－２?Ｓｎ２０Ｂｉ＿０．?３Ａ１组织形貌??０＾〇等＾将２、３ｗｔ．％的Ｚｎ加入Ｓｎ４２Ｂｉ中，组织为初生富锡相或富锌相、（Ｓｎ＋Ｚｎ）??共晶组织和（Ｓｎ＋Ｂｉ＋Ｚｎ）三元共晶组织。在Ｓｎ４２Ｂｉ３Ｚｎ中可以观察到共晶（Ｓｎ＋Ｚｎ）??结构（见图卜３（ａ）），而Ｓｎ４２Ｂｉ２Ｚｎ中很少（见图卜３（ｂ））。Ｂｉ相的很大一部分??转化为精细的球状结构，而不是棒状薄片“＇ＳｎＳＺＷＢｉ钎料添加０．?５－１．?５ｗｔ％的Ｓｂ，??形成均匀的Ｓｎ－Ｚｎ共晶相与弥散分布的细小ａ?－Ｚｎ相且得到细化，故而钎料的抗拉??强度、屈服
Ｉ???机械科学研宂总院硕士学位论文???Ｃｕ６Ｓｎ５可阻碍网状结构的生长使得组织细化［４３］。???■■??（ａ）?Ｓｎ－４２Ｂｉ－３Ｚｎ?（ｂ）?Ｓｎ－４２Ｂｉ－３Ｚｎ??图１－３?Ｚｎ对Ｓｎ４２Ｂｉ钎料组织的影响??１．?３．４力学性能??少量的Ａｇ对塑性及强度有显著改善作用，Ｓｎ３８ＢｉＯ．?７Ａｇ抗拉强度接近于８０ＭＰａ，??延伸率为２０％，接近于Ｓｎ－Ｐｂ焊料［２３］。添加Ａｇ纳米颗粒也可起到提高共晶钎料的综??合机械性能的目的［４４］。Ａ１和Ａ１Ａ的添加，分别使得Ｓｎ５８ＢｉｌＡｌ和Ｓｎ５８Ｂｉ０．５Ａｌ２０３??钎料的拉伸强度拉伸强度增加９．?５７％和２２％［２６’３Ｕ?４５１。??由于Ｉｎ可以大量固溶于Ｓｎ基体中，有助于改善合金的塑性，但随着基体中Ｉｎ??含量达到饱和析串Ｂｉｉｎ相颗粒，合金塑性逐渐恶化，故而使得ＳｎＴＢｉ－Ｉｎ钎料抗拉??强度随着含量增加先略有下降后小幅回升，延展性呈先增大后降低的趋势，且Ｉｎ??的添加使钎料的硬度明显升高温立哲等［２９］研究发现，由于Ｍｇ可固溶于ａ和Ｐ??相，起到固溶强化的作用，从而提高钎料的硬度，当Ｍｇ浓度为ｌｗｔ．％时，硬度达到??最大值５２．３ＨＶ。??有研究发现，在Ｓｎ５８Ｂｉ中加入Ｚｎ，形成了高长径比的针状富锌与较大的空洞，??从而降低了焊点的剪切强度、延伸率。但在加入Ｚｎ和Ｃｕ，可使组织得到细化，并??形成和二相粒子，使得钎料的显微硬度有所提高＜７１。??Ｇ‘２（）ｆＥｚａ?硬度?＾??；：１?１?１?１?｜??Ｓ?００８?｜?｜｜｜｜??０?０．５?１．０?１．５?２．０??图１－４?Ｌａ２０３对强度的影响??对于稀土元素的研
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国近十年绿色焊接技术研究进展[J]. 薛松柏,王博,张亮,龙伟民. 材料导报. 2019(17)
[2]Ge对Sn-Bi-Ag焊料合金性能的影响[J]. 滕媛,徐凤仙,严继康,吕金梅,赵玲彦,肖倩. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2019(02)
[3]Al和Cu对Sn-20Bi合金组织、导电率与抗腐蚀性的影响[J]. 李吉东,杨文超,李逸泰,湛永钟,冯均利,吴景武. 广西大学学报(自然科学版). 2018(05)
[4]微电子封装技术的发展趋势研究[J]. 周泰. 现代信息科技. 2018(08)
[5]稀土Y对Sn-58Bi焊料合金组织性能的影响[J]. 龚留奎,廖金发,袁继慧,李贵河,陈辉明. 航空材料学报. 2018(04)
[6]Cu/Sn-58Bi-0.5Ce/Cu钎焊接头的热时效行为[J]. 周仕远,杨莉,朱路,宋兵兵. 金属热处理. 2018(06)
[7]Ce对Sn-58Bi合金组织与性能的影响[J]. 廖金发,龚留奎,袁大伟,王东东,陈辉明. 过程工程学报. 2018(03)
[8]Sn58Bi-xW复合钎料焊点微观组织及性能的研究[J]. 王国强,杨莉,张尧成. 电子元件与材料. 2017(11)
[9]Sn-Bi-In低温无铅钎料的组织和性能[J]. 李琴,雷永平,符寒光,林健. 稀有金属材料与工程. 2017(10)
[10]微电子封装的发展历史和新动态[J]. 华冰鑫,李敏,刘淑红. 产业与科技论坛. 2017(16)
博士论文
[1]Sn-Bi基焊料组织与性能研究[D]. 陈旭.东南大学 2017
[2]低熔点无铅焊料Sn-Bi-X的研制与无铅焊接工艺研究[D]. 李元山.湖南大学 2007
[3]电子封装中无铅焊点的界面演化和可靠性研究[D]. 孙鹏.上海大学 2008
硕士论文
[1]低温软钎焊用Sn—58Bi预成型焊片的制备及回流焊点的性能研究[D]. 周舟.华南理工大学 2018
本文编号：2920787
【文章来源】：机械科学研究总院北京市
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?Ｓｎ５３Ｂｉ－１２Ｉｎ组织形貌?
Ａｇ３Ｓｎ。??此外，朱路等还发现，随着Ａｇ含量的升高，组织中出现ｅ－Ａｇ３Ｓｎ初生相并逐渐??粗化，并由于凝固过程中的形核质点增加组织发生细化。在Ｓｎ３８ＢｉＯ．?５Ａｇ中添加Ｇｅ，??则会形成均匀分布于Ｓｎ基体中的Ａｇ３Ｓｎ、ＳｎＧｅ点状相，而在Ｓｎ４Ｂｉ２ＡｇＯ．?５ＳＣｕＯ．?ｌＧｅ??中观察不到ＳｎＧｅ的形成［２４’３７１。??Ｉｎ、Ａｌ也会改变显微组织，除了生成０－Ｓｎ初生相和（Ｐ－Ｓｎ?＋?Ｂｉ）共晶外，添加??Ｉｎ会在日－Ｓｒｉ基体中还会析出细小的Ｂｉｉｎ球形颗粒（见图１－１），添加Ａ１会生成??颗状单质Ａ１相，且Ｂｉ相附着Ａ１相生长［３８’ｗ］（见图１－２）。添加０．５ｗｔ．％Ｎｉ时，不??仅会形成Ｎｉ３Ｓｎ４，复合钎料的Ｐ?－Ｓｎ、Ｐ?－ＳｎＢｉ和Ｂｉ相的晶胞体积和晶粒尺寸都减??小，而且发现ＳｎＢｉ－ＩＮｉ钎料经过１２０ｈ时效后微观结构反而变得细化，其中可能的??原因是在时效过程中Ｎｉ可以增加Ｓｎ和Ｂｉ的相互溶解度［｜７］？???編幽??图１－１?Ｓｎ５３Ｂｉ－１２Ｉｎ组织形貌?图１－２?Ｓｎ２０Ｂｉ＿０．?３Ａ１组织形貌??０＾〇等＾将２、３ｗｔ．％的Ｚｎ加入Ｓｎ４２Ｂｉ中，组织为初生富锡相或富锌相、（Ｓｎ＋Ｚｎ）??共晶组织和（Ｓｎ＋Ｂｉ＋Ｚｎ）三元共晶组织。在Ｓｎ４２Ｂｉ３Ｚｎ中可以观察到共晶（Ｓｎ＋Ｚｎ）??结构（见图卜３（ａ）），而Ｓｎ４２Ｂｉ２Ｚｎ中很少（见图卜３（ｂ））。Ｂｉ相的很大一部分??转化为精细的球状结构，而不是棒状薄片“＇ＳｎＳＺＷＢｉ钎料添加０．?５－１．?５ｗｔ％的Ｓｂ，??形成均匀的Ｓｎ－Ｚｎ共晶相与弥散分布的细小ａ?－Ｚｎ相且得到细化，故而钎料的抗拉??强度、屈服
Ｉ???机械科学研宂总院硕士学位论文???Ｃｕ６Ｓｎ５可阻碍网状结构的生长使得组织细化［４３］。???■■??（ａ）?Ｓｎ－４２Ｂｉ－３Ｚｎ?（ｂ）?Ｓｎ－４２Ｂｉ－３Ｚｎ??图１－３?Ｚｎ对Ｓｎ４２Ｂｉ钎料组织的影响??１．?３．４力学性能??少量的Ａｇ对塑性及强度有显著改善作用，Ｓｎ３８ＢｉＯ．?７Ａｇ抗拉强度接近于８０ＭＰａ，??延伸率为２０％，接近于Ｓｎ－Ｐｂ焊料［２３］。添加Ａｇ纳米颗粒也可起到提高共晶钎料的综??合机械性能的目的［４４］。Ａ１和Ａ１Ａ的添加，分别使得Ｓｎ５８ＢｉｌＡｌ和Ｓｎ５８Ｂｉ０．５Ａｌ２０３??钎料的拉伸强度拉伸强度增加９．?５７％和２２％［２６’３Ｕ?４５１。??由于Ｉｎ可以大量固溶于Ｓｎ基体中，有助于改善合金的塑性，但随着基体中Ｉｎ??含量达到饱和析串Ｂｉｉｎ相颗粒，合金塑性逐渐恶化，故而使得ＳｎＴＢｉ－Ｉｎ钎料抗拉??强度随着含量增加先略有下降后小幅回升，延展性呈先增大后降低的趋势，且Ｉｎ??的添加使钎料的硬度明显升高温立哲等［２９］研究发现，由于Ｍｇ可固溶于ａ和Ｐ??相，起到固溶强化的作用，从而提高钎料的硬度，当Ｍｇ浓度为ｌｗｔ．％时，硬度达到??最大值５２．３ＨＶ。??有研究发现，在Ｓｎ５８Ｂｉ中加入Ｚｎ，形成了高长径比的针状富锌与较大的空洞，??从而降低了焊点的剪切强度、延伸率。但在加入Ｚｎ和Ｃｕ，可使组织得到细化，并??形成和二相粒子，使得钎料的显微硬度有所提高＜７１。??Ｇ‘２（）ｆＥｚａ?硬度?＾??；：１?１?１?１?｜??Ｓ?００８?｜?｜｜｜｜??０?０．５?１．０?１．５?２．０??图１－４?Ｌａ２０３对强度的影响??对于稀土元素的研
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国近十年绿色焊接技术研究进展[J]. 薛松柏,王博,张亮,龙伟民. 材料导报. 2019(17)
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[3]Al和Cu对Sn-20Bi合金组织、导电率与抗腐蚀性的影响[J]. 李吉东,杨文超,李逸泰,湛永钟,冯均利,吴景武. 广西大学学报(自然科学版). 2018(05)
[4]微电子封装技术的发展趋势研究[J]. 周泰. 现代信息科技. 2018(08)
[5]稀土Y对Sn-58Bi焊料合金组织性能的影响[J]. 龚留奎,廖金发,袁继慧,李贵河,陈辉明. 航空材料学报. 2018(04)
[6]Cu/Sn-58Bi-0.5Ce/Cu钎焊接头的热时效行为[J]. 周仕远,杨莉,朱路,宋兵兵. 金属热处理. 2018(06)
[7]Ce对Sn-58Bi合金组织与性能的影响[J]. 廖金发,龚留奎,袁大伟,王东东,陈辉明. 过程工程学报. 2018(03)
[8]Sn58Bi-xW复合钎料焊点微观组织及性能的研究[J]. 王国强,杨莉,张尧成. 电子元件与材料. 2017(11)
[9]Sn-Bi-In低温无铅钎料的组织和性能[J]. 李琴,雷永平,符寒光,林健. 稀有金属材料与工程. 2017(10)
[10]微电子封装的发展历史和新动态[J]. 华冰鑫,李敏,刘淑红. 产业与科技论坛. 2017(16)
博士论文
[1]Sn-Bi基焊料组织与性能研究[D]. 陈旭.东南大学 2017
[2]低熔点无铅焊料Sn-Bi-X的研制与无铅焊接工艺研究[D]. 李元山.湖南大学 2007
[3]电子封装中无铅焊点的界面演化和可靠性研究[D]. 孙鹏.上海大学 2008
硕士论文
[1]低温软钎焊用Sn—58Bi预成型焊片的制备及回流焊点的性能研究[D]. 周舟.华南理工大学 2018
本文编号：2920787
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