复合添加Ga/Nd对低银SnAgCu钎料组织和性能的影响
发布时间：2021-08-18 03:38
Sn-Ag-Cu钎料由于其优越的综合性能,被认为是替代传统Sn-Pb钎料的最佳选择。但目前广泛应用的Sn-3.8Ag-0.3Cu钎料中Ag含量较高,由于Ag价格昂贵,其已难以满足电子产业日益增长的成本控制需求。在这一背景下,本文以低银钎料Sn-0.3Ag-0.7Cu为研究对象,通过“复合添加”Ga元素和Nd元素来改善钎料Ag含量下降所导致的性能降低,系统地研究了不同Nd元素含量对钎料的组织及性能的影响,探讨了复合添加Ga/Nd元素协同改善钎料性能的内在机理。采用润湿平衡法研究了Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa-yNd钎料的润湿性能,试验结果表明,Ga/Nd元素的添加均可以提高钎料的润湿性能,其中Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5Ga-0.1Nd钎料的润湿时间最短,比Sn-0.3Ag-0.7Cu润湿时间缩短约37%,钎料的润湿性能已接近高银Sn-Ag-Cu钎料的水平。差示扫描量热法测试结果显示,添加了适量的Ga\Nd元素后,钎料的熔化区间与Sn-3.8Ag-0.7Cu熔化区间差由7.7°C降至3.9°C,液相线温度相比母合金下降约2°C;同时,复合添加Ga/Nd元素还可以有效地改善...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Sn-Cu二元合金相图
硕士专业学位论文复合添加Ga/Nd对低银SnAgCu钎料组织和性能的影响5度过高，焊点力学性能较差，难以扩大应用面；Sn-Zn系钎料主要优点是与Sn-Pb钎料共晶温度接近，但其较差润湿性能和抗氧化性能也使该钎料目前的应用受到一定程度的限制；Sn-Bi系钎料由于其较低的共晶温度，可以在较低温度的软钎焊中有所应用，但是其焊点力学性能较差。Sn-Ag-Cu系列钎料是以Sn-Ag系列钎料为基体加入Cu元素完善发展而来的，图1.2为Sn-Ag-Cu三元合金相图。该系列的共晶组织主要包含β-Sn、Ag3Sn和Cu6Sn5，共晶温度为217°C，存在多个Sn-Ag-Cu成分点，熔化区间大约在217~227°C之间。Sn-Ag-Cu钎料的共晶温度比Sn-Ag钎料的共晶温度低，并且其焊点力学性能和可靠性能更高，还具有润湿性能与抗热疲劳较好等特点。由于该系列钎料中相比Sn-Ag系列钎料添加了Cu元素，从而可以一定程度上减缓基板Cu的溶解和扩散，降低金属间化合物界面层的厚度。同时，相比Sn-Cu系列钎料，该系列钎料的力学性能显著提升，故而其具有较好的应用前景。目前广泛使用的Sn-Ag-Cu系列钎料的成分主要控制在Sn-3.8Ag-0.7Cu附近，该成分比例的钎料由欧盟提出并主张使用，美国NEMI(国家电子制造协会)发起的成分比例为Sn-3.9Ag-0.6Cu，日本JEITA(电子和资讯科技产业协会)推荐使用的成分比例有Sn-3.0Ag0.5Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu两种[19]。可以发现，以上推荐使用的Sn-Ag-Cu系列钎料中Ag的含量均较高，导致钎料生产成本上升，同时高银Sn-Ag-Cu钎料的焊点还存在抗冲击性能差的问题，使得低银Sn-Ag-Cu钎料的研发逐渐得到重视。图1.2Sn-Ag-Cu三元合金相图1.3低银Sn-Ag-Cu钎料研究现状
1绪论硕士专业学位论文6低银Sn-Ag-Cu钎料的生产成本显著下降，并且其焊点具有较佳的抗冲击与抗跌落性能，就目前研究方向及成果而言，低银Sn-Ag-Cu钎料主要有Sn-0.3Ag-0.7Cu，Sn-0.5Ag-0.7Cu和Sn-1.0Ag-0.5Cu等，其中比较有代表性且综合性价比最佳的为Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料[20]。但钎料中Ag含量的下降也会引出一系列的问题，如图1.3所示，Ag含量的降低将导致钎料的熔化区间增加[21]，同时钎料合金的润湿性能及焊点力学性能明显下降[21,22]。降低钎料中Ag含量是必然的趋势，但要提高低Ag含量Sn-Ag-Cu钎料的工业价值和应用范围，必须先改善其Ag含量降低所带来的问题。首先，低银Sn-Ag-Cu钎料的设计可以向多元化方向发展[23]，可通过向钎料中添加合金元素来提升钎料的性能，起到降低钎料合金的熔化区间、提高合金的润湿性能和焊点力学性能等的作用。此外，还可以通过向钎料中添加颗粒，由此为组织提供大量的异质形核核心，从而细化钎料基体组织并改善焊点力学性能[24]。以下就两种性能改善方法分别介绍低银Sn-Ag-Cu钎料的研究现状。(a)力学性能(b)熔化特性(c)润湿性能图1.3Ag含量对Sn-Ag-Cu钎料各性能的影响[21,22]合金强化方法是目前改善无铅钎料组织和性能的最主流的方法，在所有合金元素中稀土元素对钎料的组织和性能的提升最为明显。稀土元素指在元素周期表的第三副族内的17种物理与化学特性较为类似的元素，其被誉为金属材料的“维生素”，少量添加即可显著改善钎料合金的性能，同时由于添加量极少(一般小于0.1wt.%)，对钎料的成本影响较低。此外，我国的稀土元素储藏量非常充足，研究稀土元素对钎料组织和性能
【参考文献】：
期刊论文
[1]Pr,Nd对Sn0.3Ag0.7Cu0.5Ga无铅钎料显微组织的影响[J]. 韩翼龙,薛松柏,薛鹏,王禾,龙伟民,张冠星,张青科. 焊接学报. 2017(01)
[2]Sn1.0Ag0.5Cu和Sn3.0Ag0.5Cu钎料组织与性能对比研究[J]. 孙磊,张亮,钟素娟,马佳,鲍丽. 稀有金属. 2015(07)
[3]Mn、Zn对低银Sn-Ag-Cu无铅钎料接头组织和性能的影响[J]. 张富文,张群超,胡强,朱学新. 稀有金属材料与工程. 2014(03)
[4]稀土元素Eu对SnAgCu钎料组织与性能影响[J]. 张亮,Tu King Ning,郭永环,何成文. 稀有金属. 2015(01)
[5]稀土元素对SnAgCu焊点内部组织的影响机制[J]. 张亮,韩继光,郭永环,何成文,袁建民. 机械工程学报. 2012(24)
[6]不同Ag元素含量Sn-Ag-Cu无铅钎料性能分析[J]. 刘平,顾小龙,赵新兵,刘晓刚,钟海峰. 焊接学报. 2012(06)
[7]低银Sn-Ag-Cu无铅钎料的发展现状及发展趋势[J]. 张群超,张富文,胡强. 焊接. 2011 (11)
[8]SAC0307-xNi/Ni焊点的IMC及镍镀层的消耗[J]. 王玲玲,孙凤莲,王丽凤,赵智力. 焊接学报. 2009(11)
[9]Bi对Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料熔点及润湿性能的影响[J]. 孙凤莲,胡文刚,王丽凤,马鑫. 焊接学报. 2008(10)
[10]JIS Z 3198无铅钎料试验方法简介与评述[J]. 王春青,李明雨,田艳红,孔令超. 电子工艺技术. 2004(02)
硕士论文
[1]微纳Ni、Co颗粒增强Sn-Cu-Ag亚共晶钎料的研究[D]. 刘斌.重庆理工大学 2012
[2]La对低银无铅钎料Sn0.3Ag0.7Cu/pad焊点界面与性能的影响[D]. 王佳.哈尔滨理工大学 2011
本文编号：3349113
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Sn-Cu二元合金相图
硕士专业学位论文复合添加Ga/Nd对低银SnAgCu钎料组织和性能的影响5度过高，焊点力学性能较差，难以扩大应用面；Sn-Zn系钎料主要优点是与Sn-Pb钎料共晶温度接近，但其较差润湿性能和抗氧化性能也使该钎料目前的应用受到一定程度的限制；Sn-Bi系钎料由于其较低的共晶温度，可以在较低温度的软钎焊中有所应用，但是其焊点力学性能较差。Sn-Ag-Cu系列钎料是以Sn-Ag系列钎料为基体加入Cu元素完善发展而来的，图1.2为Sn-Ag-Cu三元合金相图。该系列的共晶组织主要包含β-Sn、Ag3Sn和Cu6Sn5，共晶温度为217°C，存在多个Sn-Ag-Cu成分点，熔化区间大约在217~227°C之间。Sn-Ag-Cu钎料的共晶温度比Sn-Ag钎料的共晶温度低，并且其焊点力学性能和可靠性能更高，还具有润湿性能与抗热疲劳较好等特点。由于该系列钎料中相比Sn-Ag系列钎料添加了Cu元素，从而可以一定程度上减缓基板Cu的溶解和扩散，降低金属间化合物界面层的厚度。同时，相比Sn-Cu系列钎料，该系列钎料的力学性能显著提升，故而其具有较好的应用前景。目前广泛使用的Sn-Ag-Cu系列钎料的成分主要控制在Sn-3.8Ag-0.7Cu附近，该成分比例的钎料由欧盟提出并主张使用，美国NEMI(国家电子制造协会)发起的成分比例为Sn-3.9Ag-0.6Cu，日本JEITA(电子和资讯科技产业协会)推荐使用的成分比例有Sn-3.0Ag0.5Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu两种[19]。可以发现，以上推荐使用的Sn-Ag-Cu系列钎料中Ag的含量均较高，导致钎料生产成本上升，同时高银Sn-Ag-Cu钎料的焊点还存在抗冲击性能差的问题，使得低银Sn-Ag-Cu钎料的研发逐渐得到重视。图1.2Sn-Ag-Cu三元合金相图1.3低银Sn-Ag-Cu钎料研究现状
1绪论硕士专业学位论文6低银Sn-Ag-Cu钎料的生产成本显著下降，并且其焊点具有较佳的抗冲击与抗跌落性能，就目前研究方向及成果而言，低银Sn-Ag-Cu钎料主要有Sn-0.3Ag-0.7Cu，Sn-0.5Ag-0.7Cu和Sn-1.0Ag-0.5Cu等，其中比较有代表性且综合性价比最佳的为Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料[20]。但钎料中Ag含量的下降也会引出一系列的问题，如图1.3所示，Ag含量的降低将导致钎料的熔化区间增加[21]，同时钎料合金的润湿性能及焊点力学性能明显下降[21,22]。降低钎料中Ag含量是必然的趋势，但要提高低Ag含量Sn-Ag-Cu钎料的工业价值和应用范围，必须先改善其Ag含量降低所带来的问题。首先，低银Sn-Ag-Cu钎料的设计可以向多元化方向发展[23]，可通过向钎料中添加合金元素来提升钎料的性能，起到降低钎料合金的熔化区间、提高合金的润湿性能和焊点力学性能等的作用。此外，还可以通过向钎料中添加颗粒，由此为组织提供大量的异质形核核心，从而细化钎料基体组织并改善焊点力学性能[24]。以下就两种性能改善方法分别介绍低银Sn-Ag-Cu钎料的研究现状。(a)力学性能(b)熔化特性(c)润湿性能图1.3Ag含量对Sn-Ag-Cu钎料各性能的影响[21,22]合金强化方法是目前改善无铅钎料组织和性能的最主流的方法，在所有合金元素中稀土元素对钎料的组织和性能的提升最为明显。稀土元素指在元素周期表的第三副族内的17种物理与化学特性较为类似的元素，其被誉为金属材料的“维生素”，少量添加即可显著改善钎料合金的性能，同时由于添加量极少(一般小于0.1wt.%)，对钎料的成本影响较低。此外，我国的稀土元素储藏量非常充足，研究稀土元素对钎料组织和性能
【参考文献】：
期刊论文
[1]Pr,Nd对Sn0.3Ag0.7Cu0.5Ga无铅钎料显微组织的影响[J]. 韩翼龙,薛松柏,薛鹏,王禾,龙伟民,张冠星,张青科. 焊接学报. 2017(01)
[2]Sn1.0Ag0.5Cu和Sn3.0Ag0.5Cu钎料组织与性能对比研究[J]. 孙磊,张亮,钟素娟,马佳,鲍丽. 稀有金属. 2015(07)
[3]Mn、Zn对低银Sn-Ag-Cu无铅钎料接头组织和性能的影响[J]. 张富文,张群超,胡强,朱学新. 稀有金属材料与工程. 2014(03)
[4]稀土元素Eu对SnAgCu钎料组织与性能影响[J]. 张亮,Tu King Ning,郭永环,何成文. 稀有金属. 2015(01)
[5]稀土元素对SnAgCu焊点内部组织的影响机制[J]. 张亮,韩继光,郭永环,何成文,袁建民. 机械工程学报. 2012(24)
[6]不同Ag元素含量Sn-Ag-Cu无铅钎料性能分析[J]. 刘平,顾小龙,赵新兵,刘晓刚,钟海峰. 焊接学报. 2012(06)
[7]低银Sn-Ag-Cu无铅钎料的发展现状及发展趋势[J]. 张群超,张富文,胡强. 焊接. 2011 (11)
[8]SAC0307-xNi/Ni焊点的IMC及镍镀层的消耗[J]. 王玲玲,孙凤莲,王丽凤,赵智力. 焊接学报. 2009(11)
[9]Bi对Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料熔点及润湿性能的影响[J]. 孙凤莲,胡文刚,王丽凤,马鑫. 焊接学报. 2008(10)
[10]JIS Z 3198无铅钎料试验方法简介与评述[J]. 王春青,李明雨,田艳红,孔令超. 电子工艺技术. 2004(02)
硕士论文
[1]微纳Ni、Co颗粒增强Sn-Cu-Ag亚共晶钎料的研究[D]. 刘斌.重庆理工大学 2012
[2]La对低银无铅钎料Sn0.3Ag0.7Cu/pad焊点界面与性能的影响[D]. 王佳.哈尔滨理工大学 2011
本文编号：3349113
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