超声辅助纳米碳化硅颗粒增强锡铋合金钎料焊接性能研究
发布时间：2020-05-26 11:48
【摘要】：电子封装技术向高密度和小型化方向发展。由于锡铅钎料具有毒性而被广泛禁止使用,寻找性能上替代锡铅合金的无铅高可靠性焊料已成为研究的热点和亟需解决的问题。Sn Bi共晶钎料作为低熔点替代传统锡基含铅钎料之一,具有成本低优势,兼容传统SMT设备及工艺,可用于低温焊接领域。然而,Sn Bi共晶钎料中Bi含量较高,导致焊后接头存在硬、脆等失效风险,如何提高其钎焊接头力学性能、改善长期服役的可靠性,成为亟待解决该类钎料合金的关键问题。本课题通过掺杂纳米SiC颗粒,采用超声辅助机械混合和冷压压片的方法制备了复合钎料预制片,探讨了纳米SiC颗粒含量以及超声辅助热压回流的功率参数对复合钎料焊接性能的影响。本课题对纳米SiC颗粒增强的Sn Bi钎料的显微微观组织进行了分析表征。结果表明,在0.2 wt.%~0.8 wt.%含量范围内,随着纳米SiC颗粒含量的增加,Sn Bi复合钎料合金组织的平均相尺寸先减小后增大。热输入能有效促进纳米SiC颗粒的均匀分布,施加超声振动后,在声流效应和空化效应下增加了钎料内部的热输入,改善了钎料内部颗粒的分散性,避免SiC与Sn Bi密度相差悬殊而导致的上浮团聚,提高了纳米SiC颗粒与微米Sn Bi颗粒混合后制得复合钎料的润湿性,使纳米SiC在复合钎料熔融冷却后呈弥散分布状态。在超声500 W时,纳米SiC分布弥散效果最优,纳米SiC含量达到0.6 wt.%时,共晶组织中β-Sn相平均相尺寸达到最小值0.49μm。通过对纳米SiC颗粒增强的Sn Bi复合钎料进行DSC分析、显微维氏硬度测试、接头剪切强度测试、断口形貌表征,研究结果表明:随着掺杂纳米SiC含量增加,熔点下降明显,但降幅均在1℃以内,对钎料熔点影响不大。经过热压回流和超声回流过程,掺杂不同含量纳米SiC颗粒的Sn Bi复合钎料合金的接头硬度发生了明显的变化。热压回流后,硬度值下降了大约50%,超声回流后硬度基本维持不变,部分样品硬度略微增长。在纳米SiC颗粒含量达到0.6 wt.%时,剪切强度达到最大值33.15 MPa,相比于原始Sn Bi共晶钎料的剪切强度16.65 MPa,提升了99.1%,当纳米SiC颗粒含量超过0.6 wt.%时,复合钎料连接接头的剪切强度呈下降趋势。
【图文】：
- 4 -图 1-1 SiC 颗粒掺杂 SnBi 共晶钎料不同老化时间焊缝组织对比[37]a) SnBi 老化 0 小时 b) SiC+SnBi 老化 0 小时 c) SnBi 老化 100 小时d) SiC+SnBi 老化 100 小时 e) SnBi 老化 400 小时 f) SiC+SnBi 老化 400 小时Gao 等人[38]在 Sn58Bi 钎料重熔过程中加入 0.1-1.5 wt. % La2O3，制备出复合钎料。研究表明，La2O3的掺杂使晶粒尺寸减小，同时使富 Sn 相和富 Bi 相分布更加均匀，富 Bi 相的偏聚得到有效抑制，从而降低了钎料合金的脆性。此外，纳米压痕硬度结果表明，合金的硬度随 La2O3的掺杂而提高。Sn58Bi 钎料未掺杂和掺杂 0.5 wt. % La2O3后的显微组织对比如图 1-2 所示。
图 1-2 Sn-58Bi 钎料的微观组织[38]a) Sn-58Bi b) Sn-58Bi-0.5La2O3景等人[39]研究了在 Sn58Bi 钎料中掺杂不同量的 Al2O3颗粒之后，对钎料的微观结构、机械性能以及铺展性的影响。研究表明，掺杂 Al2O3颗粒后，呈片层状共晶分布组织的层片间距缩小，其微观组织细化效果显著；当掺杂的 Al2O3颗粒达到 0.5 wt. %时，得到最佳的细化效果和润湿性；但是当掺杂的 Al2O3颗粒增加至 1.0 wt. %时，显微组织并未进一步细化。随着掺杂 Al2O3颗粒的增多，微接头的强度和伸长率增大；铺展系数随掺杂量的增加先增大后减小。Liu 等人[40]在 Sn58Bi 钎料合金中掺杂 Cu6Sn5颗粒，研究该颗粒对 Sn58Bi钎料合金的润湿性、微观结构及机械性能的影响。研究表明，Cu6Sn5颗粒在Sn58Bi中的掺杂导致复合钎料的粘性增强，钎料的流动性变差，从而使润湿性变差；但由于 Cu6Sn5颗粒在在钎料中分布均匀，β-Sn 相和富 Bi 相在回流 1min 和 30min后的晶粒细化效果显著，同时相的偏聚也得到有效抑制，因此润湿性的略微降低尚可接受。此外，Cu6Sn5颗粒掺杂后，，复合钎料接头的剪切强度增加。采用不掺杂和掺杂 Cu6Sn5颗粒的复合钎料回流后的显微组织形貌如图 1-3 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG425
本文编号：2681788
【图文】：
- 4 -图 1-1 SiC 颗粒掺杂 SnBi 共晶钎料不同老化时间焊缝组织对比[37]a) SnBi 老化 0 小时 b) SiC+SnBi 老化 0 小时 c) SnBi 老化 100 小时d) SiC+SnBi 老化 100 小时 e) SnBi 老化 400 小时 f) SiC+SnBi 老化 400 小时Gao 等人[38]在 Sn58Bi 钎料重熔过程中加入 0.1-1.5 wt. % La2O3，制备出复合钎料。研究表明，La2O3的掺杂使晶粒尺寸减小，同时使富 Sn 相和富 Bi 相分布更加均匀，富 Bi 相的偏聚得到有效抑制，从而降低了钎料合金的脆性。此外，纳米压痕硬度结果表明，合金的硬度随 La2O3的掺杂而提高。Sn58Bi 钎料未掺杂和掺杂 0.5 wt. % La2O3后的显微组织对比如图 1-2 所示。
图 1-2 Sn-58Bi 钎料的微观组织[38]a) Sn-58Bi b) Sn-58Bi-0.5La2O3景等人[39]研究了在 Sn58Bi 钎料中掺杂不同量的 Al2O3颗粒之后，对钎料的微观结构、机械性能以及铺展性的影响。研究表明，掺杂 Al2O3颗粒后，呈片层状共晶分布组织的层片间距缩小，其微观组织细化效果显著；当掺杂的 Al2O3颗粒达到 0.5 wt. %时，得到最佳的细化效果和润湿性；但是当掺杂的 Al2O3颗粒增加至 1.0 wt. %时，显微组织并未进一步细化。随着掺杂 Al2O3颗粒的增多，微接头的强度和伸长率增大；铺展系数随掺杂量的增加先增大后减小。Liu 等人[40]在 Sn58Bi 钎料合金中掺杂 Cu6Sn5颗粒，研究该颗粒对 Sn58Bi钎料合金的润湿性、微观结构及机械性能的影响。研究表明，Cu6Sn5颗粒在Sn58Bi中的掺杂导致复合钎料的粘性增强，钎料的流动性变差，从而使润湿性变差；但由于 Cu6Sn5颗粒在在钎料中分布均匀，β-Sn 相和富 Bi 相在回流 1min 和 30min后的晶粒细化效果显著，同时相的偏聚也得到有效抑制，因此润湿性的略微降低尚可接受。此外，Cu6Sn5颗粒掺杂后，，复合钎料接头的剪切强度增加。采用不掺杂和掺杂 Cu6Sn5颗粒的复合钎料回流后的显微组织形貌如图 1-3 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG425
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 景延峰;杨莉;葛进国;张尧成;;Al_2O_3颗粒对Sn58Bi钎料组织及力学性能的影响[J];热加工工艺;2015年21期
2 李晓延,严永长;电子封装焊点可靠性及寿命预测方法[J];机械强度;2005年04期
3 吴京洧,杨建国,方洪渊;复合钎料的特点及研究现状[J];焊接;2002年12期
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1 邓春锋;碳纳米管增强铝基复合材料的制备及组织性能研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
本文编号：2681788
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