锡基无铅钎料超声辅助钎焊铜板的研究

发布时间：2020-08-22 03:02

【摘要】：应用在航空航天、汽车制造等领域的电子元器件,往往需要在高频率、高功率和极致温差等严酷条件下工作,对封装焊点可靠性的要求更为苛刻。传统的软钎焊封装工艺,在钎焊过程中由于钎剂的引入和焊后残留常引发焊点气孔缺陷及焊盘二次腐蚀等问题,这在高端应用领域是绝对不允许的。因此,人们提出将超声波辅助引入软钎焊工艺中,由于其特有的“空化效应”,在钎焊时可以代替钎剂去除母材表面氧化膜,实现无钎剂使用条件下封装焊点的连接。但国内目前将超声波应用在软钎焊中的研究较少,特别是超声辅助软钎焊过程中母材表面的去膜机制也需进行进一步的研究。本文应用超声功率500 W、超声频率30 KHz的超声波钎焊机,通过超声焊头直接激励固态母材的方式,经辅助加热装置240℃恒温加热,实现大气环境无钎剂使用条件下Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)钎料超声辅助钎焊Cu的连接过程。控制超声振幅和超声作用时间,借助不同超声作用时间的金相照片或扫描电镜照片,观察铜基板表面的超声去膜现象,分析铜母材的去膜机制;同时,观察随超声作用时间增加的焊点钎料组织演变及界面连接层的形貌变化,分析组织及形貌演变原因。研究发现:1.超声波沿厚度为0.5 mm的铜基板横向转播的过程中,在距离中心施焊位置0~12 mm圆周范围内,超声作用效果随距离增加呈现先增强再减弱的趋势,确定距离中心施焊位置8 mm处为最佳施焊位置。2.在小振幅(20%)作用下,随着超声作用时间的延长焊点钎料中的β-Sn初晶相在超声空化效应作用下出现明显晶粒细化现象;而钎料共晶区中Ag_3Sn则发生粗化,由超声作用2 s时的尺寸约0.4μm颗粒状Ag_3Sn演变为10 s时的尺寸约为3μm的片状Ag_3Sn,同时Cu_6Sn_5由2 s时的短棒状演变为10 s时的晶须状,且数量明显增多,在超声作用15 s时晶须状共晶组织占钎料比例的50%。3.超声作用时间的延长可以促使钎料在母材表面进行润湿铺展。超声波振幅对铺展系数的影响最为明显,在大振幅超声作用下,钎料可在短时间内铺展润湿母材基板。超声辅助钎焊SAC305钎料/Cu过程中,可以在界面边缘润湿角大于90°的情况下获得良好的铜母材去膜和钎料的润湿,并在界面形成连续的金属间化合物连接层。随着超声作用时间的延长,润湿角呈逐渐减小的趋势。4.SAC305/Cu焊点界面,在超声作用1-10 s内,去膜过程中由于母材和氧化膜发生塑性变形而发生弧状凹坑,凹坑随时间的延长发生横向扩展,期间凹坑深度一般维持在5-10μm左右无明显增加;但随后的10-15 s超声作用期间,钎料/母材界面向铜内部迁移明显,凹坑深度接近20μm。5.由焊点界面随超声作用时间的演变过程,总结SAC305钎料/Cu母材的氧化膜破除主要包括四个阶段:第一阶段:在超声空化作用下,铜基板表面部分区域的氧化膜及其下方一定体积内的铜金属受迫变形出现弧状凹坑,凹坑内部母材与氧化膜之间出现裂纹,随后氧化膜在凹坑最底端发生断裂产生缺口;第二阶段:熔融钎料进入缺口与Cu接触,并沿着Cu表面裂纹横向渗入,使凹坑表面氧化膜浮起;第三阶段:铺展过程继续进行使弧状凹坑横向尺寸增加,漂浮在熔融钎料中的氧化膜在持续的超声作用下发生破碎,在弧状凹坑与钎料的直接接触界面形成金属间化合物连接层;第四阶段:破碎的氧化膜随液态钎料的流动熔入钎料中,弧状凹坑横向合并生长,界面上不再存在氧化膜覆盖区且形貌趋于平缓,完成去膜过程。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG454
【图文】：

空化效应工业制造等方面的应用主要是基于超声作用于液体所产内外科研工作者的广泛关注。超声空化是指液体中的气经历声波负半周期的拉伸和正半周期的压缩，空化泡经一系列过程。在空化气泡溃灭时产生瞬时高温高压的微发力学、物理、化学效应等，如材料破坏，加速化学反应速焊中主要利用空化作用去除母材表面氧化膜，目前，对分为单泡声空化和多泡声空化两个类别。化最早由 Rayleigh 在 1917 年研究完成[30]，并建立了不可理论模型，求出气泡运动速度和溃灭时间。在其基础上单泡运动的动力学进行了大量的理论分析，并从液体可声辐射效应、热导性等方面进行改进，得出很多具有代。其中 Ohl[33]等人利用高速摄影技术记录下临近刚性固体图 1-1 所示。空泡在刚性固体表面附近溃灭时会发生非球流冲击固体表面，最后管状气体变成微小气泡。

哈尔滨理工大学工程硕士学位论文氧化膜应用于材料连接领域，主要由于其独当超声波传播至液体中会产生空化效应材料间的冶金结合。科研学者对于氧。95 年通过高速摄影机捕捉到了空化气可以清晰的观察到在空化泡内会形成空化泡中间过程。之后，陈永增[36]在 影响，试验中将铝箔置于装有水的容超声作用下铝箔表面形貌变化。试验结局部区域出现直径约为 60 μm 的凹坑灭时产生的冲击压力约为 45 MPa-19s。

空化泡中间过程。之后，陈永增[36]在 2影响，试验中将铝箔置于装有水的容器超声作用下铝箔表面形貌变化。试验结局部区域出现直径约为 60 μm 的凹坑，灭时产生的冲击压力约为 45 MPa-190s。图 1-2 超声空化泡的溃灭[35]e collapse of ultrasonic cavitation aluminum f

【参考文献】

相关期刊论文 前4条

1 许志武;闫久春;王昌胜;杨士勤;;超声波的传播特性及其对钎料润湿行为的影响[J];焊接学报;2010年12期

2 闫久春;孙小磊;;超声波振动辅助钎焊技术[J];焊接;2009年03期

3 高晨;李红;栗卓新;;AZ31B镁合金超声振动钎焊接头微观结构和力学性能[J];焊接学报;2009年02期

4 王萍辉;超声空化影响因素[J];河北理工学院学报;2003年04期

相关博士学位论文 前2条

1 李国栋;超声作用下镁合金钎料性能及其钎焊过程研究[D];北京工业大学;2014年

2 陈晓光;SiC陶瓷与Ti-6Al-4V合金超声波辅助钎焊的润湿结合机制及工艺研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

相关硕士学位论文 前1条

1 李灿;超声辅助钎焊中界面空化行为和去膜过程的可视化研究[D];北京工业大学;2016年

本文编号：2800182