苛刻热循环对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊界面及接头性能的影响
发布时间：2021-01-04 09:14
采用SEM、EDS、XRD等对苛刻热循环下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊界面IMC及接头性能进行研究。结果表明:苛刻热循环下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊界面IMC由（Cu,Ni）6Sn5和Cu3Sn相组成;随热循环周期的增加,钎焊接头的界面IMC（Cu,Ni）6Sn5形态由波浪状转变为局部较大尺寸的"笋状",IMC平均厚度和粗糙度增大,相应接头剪切强度降低。添加适量Ni 0.05%（质量分数）的钎焊接头界面IMC平均厚度和粗糙度最低,接头剪切强度最高。在100热循环周期内,随热循环周期增加,Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头剪切断口由呈现钎缝处的韧性断裂向由钎缝和IMC层组成以韧性为主的韧-脆混合断裂转变。
【文章来源】：中国有色金属学报. 2016年12期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
钎焊试样形状及尺寸
数为0、20、50、60、80、100。热循环试验后的钎焊试样经打磨、抛光后4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀，用JSM5610LV型扫描电镜观察接头组织形貌，必要时进行EDS能谱成分分析；钎焊后采用尺寸为8mm×70mm×4mm剪切试样，在AGI250kN型万能试验机上室温条件下进行拉伸，拉伸速度为1mm/min，借助于D8ADVANCE型X衍射仪对钎焊接头界面进行物相分析。为保证剪切强度接头测试结果的准确性，取5个不同试样的算术平均值作为剪切强度值。图1钎焊试样形状及尺寸Fig.1Configurationanddimensionofspecimenforsoldering(Unit:mm)图2接头界面粗糙度示意图Fig.2Schematicdiagramofroughnessofsolderjoints参照文献[6]中关于微连接焊点界面厚度、粗糙度的评估方法(界面IMC粗糙度测量示意图见图2)，利用AutoCAD软件测量观察界面IMC面积，根据等积法原理求得界面IMC的平均厚度。以平均厚度线作为粗糙度测量基准线(见图2中虚线)，测量选定区域界面IMC的峰值到基准线间的距离，代入式(1)计算选定区域的界面粗糙度。为减小测量误差，以5次随机测量区域的平均值作为测量结果。NZRNii12rms(1)式中：Rrms为粗糙度，μm；N为选定区域测量点的个数；Zi为所测量选定区域的IMC峰值到测量基准线间的距离，μm。2结果与分析无铅钎焊接头界面区IMC层在服役环境中的成长及其形态与接头可靠性密切相关。因此，有必要研究苛刻热循环下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊接头界面IMC的生长行为、接头性能及其断裂机制。2.1Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu苛刻热循环钎焊接头界面金属间化合物图3所示为Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu苛刻热循环接头界面SEM像和XRD谱，钎焊接头界面金属间化合物(见图3(a)中A、B点)EDS分析结果如表1所列。由图3
第26卷第12期郭兴东，等：苛刻热循环对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊界面及接头性能的影响2575图4所示为苛刻热循环对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi/Cu接头界面IMC的影响。由图4可知，低热循环周期下接头界面IMC成长较慢，波浪状IMC形态均匀，无裂纹、空洞等缺陷(见图4(a))；当循环周期大于50周时，界面化合物IMC生长加快，局部出现较大尺寸的“笋状”，甚至产生空洞等现象(见图4(b))。随着热循环周期数增加，接头界面IMC层逐渐变厚，界面中(Cu，Ni)6Sn5相逐步长大并粗化，生长前沿部分不断向钎缝内部不规则长大。由于界面金属间化合物和钎缝热膨胀系数不相同，在接头应力作用下界面产生显微裂纹、空洞等(见图4(c)和(d))。对比图4可知，热循环过程接头遭受高低温度循环作用，导致接头界面金属间化合物粗化，在接头应力循环作用下产生开裂失效等。热循环初期，界面处连续致密的(Cu，Ni)6Sn5相阻碍了钎缝中Sn、Ni原子与基板上Cu原子间的相互扩散，抑制了界面Cu3Sn金属间化合物的生长，形成了薄且平的形貌特征。热循环50周期以后，界面化合物生长速率有所加快，一方面可能是由于界图3Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu接头界面SEM像及XRD分析结果Fig.3SEMimageandXRDresultsofSn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cusolderjointinterface:(a)SEMimage;(b)XRDpattern图4苛刻热循环对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu接头界面IMC的影响Fig.4SEMimagesofSn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cusolderjointinterfaceindifferentthermalcycling:(a)0cycle;(b)50cycles;(c)80cycles;(d)100cycles
【参考文献】：
期刊论文
[1]循环周期对Sn3.0Ag0.5Cu/Cu钎焊接头界面化合物的影响[J]. 许媛媛,闫焉服,李帅,葛营. 材料热处理学报. 2015(01)
[2]Ni对SAC0307无铅钎料性能和界面的影响研究[J]. 刘平,钟海锋,龙郑易,顾小龙. 焊接. 2014(05)
[3]Ni元素对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu无铅微焊点界面IMC和力学性能的影响[J]. 李臣阳,张柯柯,王要利,赵恺,杜宜乐. 焊接学报. 2012(11)
[4]RE对SnAgCu钎料合金及焊点性能的影响[J]. 王要利,张柯柯,李臣阳,衡中皓. 材料热处理学报. 2011(12)
[5]时效对SnCuSb/Cu钎焊接头抗剪强度与断口特征的影响[J]. 孟工戈,李丹,李正平,王彦鹏,陈雷达. 焊接学报. 2010(06)
[6]温度与镀层对Sn-Cu-Ni无铅钎料润湿性能的影响[J]. 王俭辛,薛松柏,韩宗杰,汪宁,禹胜林. 焊接学报. 2006(10)
[7]Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面的显微结构[J]. 王烨,黄继华,张建纲,齐丽华. 中国有色金属学报. 2006(03)
[8]固-液金属界面上金属间化合物的非平衡生长[J]. 劳邦盛,高苏,张启运. 物理化学学报. 2001(05)
本文编号：2956528
【文章来源】：中国有色金属学报. 2016年12期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
钎焊试样形状及尺寸
数为0、20、50、60、80、100。热循环试验后的钎焊试样经打磨、抛光后4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀，用JSM5610LV型扫描电镜观察接头组织形貌，必要时进行EDS能谱成分分析；钎焊后采用尺寸为8mm×70mm×4mm剪切试样，在AGI250kN型万能试验机上室温条件下进行拉伸，拉伸速度为1mm/min，借助于D8ADVANCE型X衍射仪对钎焊接头界面进行物相分析。为保证剪切强度接头测试结果的准确性，取5个不同试样的算术平均值作为剪切强度值。图1钎焊试样形状及尺寸Fig.1Configurationanddimensionofspecimenforsoldering(Unit:mm)图2接头界面粗糙度示意图Fig.2Schematicdiagramofroughnessofsolderjoints参照文献[6]中关于微连接焊点界面厚度、粗糙度的评估方法(界面IMC粗糙度测量示意图见图2)，利用AutoCAD软件测量观察界面IMC面积，根据等积法原理求得界面IMC的平均厚度。以平均厚度线作为粗糙度测量基准线(见图2中虚线)，测量选定区域界面IMC的峰值到基准线间的距离，代入式(1)计算选定区域的界面粗糙度。为减小测量误差，以5次随机测量区域的平均值作为测量结果。NZRNii12rms(1)式中：Rrms为粗糙度，μm；N为选定区域测量点的个数；Zi为所测量选定区域的IMC峰值到测量基准线间的距离，μm。2结果与分析无铅钎焊接头界面区IMC层在服役环境中的成长及其形态与接头可靠性密切相关。因此，有必要研究苛刻热循环下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊接头界面IMC的生长行为、接头性能及其断裂机制。2.1Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu苛刻热循环钎焊接头界面金属间化合物图3所示为Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu苛刻热循环接头界面SEM像和XRD谱，钎焊接头界面金属间化合物(见图3(a)中A、B点)EDS分析结果如表1所列。由图3
第26卷第12期郭兴东，等：苛刻热循环对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊界面及接头性能的影响2575图4所示为苛刻热循环对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi/Cu接头界面IMC的影响。由图4可知，低热循环周期下接头界面IMC成长较慢，波浪状IMC形态均匀，无裂纹、空洞等缺陷(见图4(a))；当循环周期大于50周时，界面化合物IMC生长加快，局部出现较大尺寸的“笋状”，甚至产生空洞等现象(见图4(b))。随着热循环周期数增加，接头界面IMC层逐渐变厚，界面中(Cu，Ni)6Sn5相逐步长大并粗化，生长前沿部分不断向钎缝内部不规则长大。由于界面金属间化合物和钎缝热膨胀系数不相同，在接头应力作用下界面产生显微裂纹、空洞等(见图4(c)和(d))。对比图4可知，热循环过程接头遭受高低温度循环作用，导致接头界面金属间化合物粗化，在接头应力循环作用下产生开裂失效等。热循环初期，界面处连续致密的(Cu，Ni)6Sn5相阻碍了钎缝中Sn、Ni原子与基板上Cu原子间的相互扩散，抑制了界面Cu3Sn金属间化合物的生长，形成了薄且平的形貌特征。热循环50周期以后，界面化合物生长速率有所加快，一方面可能是由于界图3Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu接头界面SEM像及XRD分析结果Fig.3SEMimageandXRDresultsofSn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cusolderjointinterface:(a)SEMimage;(b)XRDpattern图4苛刻热循环对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu接头界面IMC的影响Fig.4SEMimagesofSn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cusolderjointinterfaceindifferentthermalcycling:(a)0cycle;(b)50cycles;(c)80cycles;(d)100cycles
【参考文献】：
期刊论文
[1]循环周期对Sn3.0Ag0.5Cu/Cu钎焊接头界面化合物的影响[J]. 许媛媛,闫焉服,李帅,葛营. 材料热处理学报. 2015(01)
[2]Ni对SAC0307无铅钎料性能和界面的影响研究[J]. 刘平,钟海锋,龙郑易,顾小龙. 焊接. 2014(05)
[3]Ni元素对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu无铅微焊点界面IMC和力学性能的影响[J]. 李臣阳,张柯柯,王要利,赵恺,杜宜乐. 焊接学报. 2012(11)
[4]RE对SnAgCu钎料合金及焊点性能的影响[J]. 王要利,张柯柯,李臣阳,衡中皓. 材料热处理学报. 2011(12)
[5]时效对SnCuSb/Cu钎焊接头抗剪强度与断口特征的影响[J]. 孟工戈,李丹,李正平,王彦鹏,陈雷达. 焊接学报. 2010(06)
[6]温度与镀层对Sn-Cu-Ni无铅钎料润湿性能的影响[J]. 王俭辛,薛松柏,韩宗杰,汪宁,禹胜林. 焊接学报. 2006(10)
[7]Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面的显微结构[J]. 王烨,黄继华,张建纲,齐丽华. 中国有色金属学报. 2006(03)
[8]固-液金属界面上金属间化合物的非平衡生长[J]. 劳邦盛,高苏,张启运. 物理化学学报. 2001(05)
本文编号：2956528
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