Sn8Zn3Bi-xCu无铅钎料的性能研究

发布时间：2017-07-08 00:00

  本文关键词：Sn8Zn3Bi-xCu无铅钎料的性能研究

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【摘要】：出于环境保护法规和微电子高集成化发展的要求,新型无铅电子焊料的研究和开发已成为电子和材料界近年的热点之一。Sn-Zn系无铅焊料的共晶成分为Sn-8.8Zn,熔点为198℃,与SnPb焊料的共晶温度183℃最为接近,同时Zn在地球上的储量十分丰富、价格低廉,并且力学性能良好,因此是目前最有前途的无铅焊料之一。但是Sn-Zn系无铅焊料润湿性差,易氧化的缺点阻碍了它的发展与应用。本文在总结大量关于Sn-Zn系合金研究的基础上,以最具应用前景的Sn-8Zn-3Bi合金为研究对象,探索采用Cu元素进行微合金化等方法,就提高Sn-8Zn-3Bi合金的抗氧化性,进一步改善润湿性以及合金的塑性等性能进行了研究。此外,本文还采用时效的方法研究了Sn-8Zn-3Bi-xCu合金与Cu基底钎焊的焊点界面反应和界面金属间化合物长大行为,并探讨了Cu对Sn-8Zn-3Bi合金的焊点可靠性的影响。研究表明：向Sn-8Zn-3Bi焊料中添加微量的Cu对合金的熔点有一定的影响,含量在0.3%～0.8%的时候,熔点的变化不大,但是继续增加Cu含量会使焊料的熔点大幅上升,并且随着Cu元素的增加,合金的熔程有上升的趋势；添加Cu元素可以明显提高焊料的抗氧化性,减少富Zn相的氧化,从而降低焊料合金的表面张力,使焊料的润湿性也得到了提高,Sn-8Zn-3Bi-0.5Cu合金具有最佳的润湿性能。在Sn-8Zn-3Bi合金中添加微量的Cu,由于弥散强化作用和减少了脆性相CuZn金属间化合物使合金的硬度及剪切强度得到提高,Sn-8Zn-3Bi-1.5Cu合金具有最佳的剪切力学性能,室温下合金的剪切强度达到44MPa。时效前,Sn-8Zn-3Bi-xCu接头的断口上有大量的抛物型韧窝,断裂机制韧性断裂；时效后,接头界面处IMC层长厚,而IMC为脆性相,受到外界应力后容易在此处发生断裂,因此,焊接接头的强度下降,且断裂机制为脆性断裂。Sn-8Zn-3Bi-xCu六种合金的焊点在12℃时效过程中界面金属间化合物(IMC)厚度随时效时间的延长而增加,在相同时效时间的情况下,SnZnBiCu合金的焊点界面IMC厚度小于Sn-8Zn-3Bi焊点。说明Cu的添加抑制了IMC的生长,因为Cu在时效过程中与Zn结合产生CuZn中间相化合物,消耗了原先组织中游离的Zn,改变了组织形貌且控制了Zn向界面的扩散,从而间接抑制了界面IMC的长大。Sn-8Zn-3Bi无铅焊料添加了Cu元素以后,平均腐蚀速率呈减小的趋势,并且腐蚀电位随着Cu元素的增加而逐渐上升,说明耐蚀性提高了；Sn-8Zn-3Bi焊料在3.5%NaCl溶液中的腐蚀产物包括ZnO, SnO、ZnCl2和Zn5(OH)8Cl2H2O.然而随着铜含量的增加Zn5(OH)8Cl2.H2O逐渐消失,Cu0和CuCl2出现在腐蚀区中。新的腐蚀产物使腐蚀区保持完整而致密,起到了保护合金不被进一步被腐蚀的作用。
【关键词】：无铅钎料 Sn8zn3Bi 抗氧化性 润湿性
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG425
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 电子钎料的应用背景12
• 1.3 无铅焊料的提出12-15
• 1.3.1 含铅钎料的危害12-13
• 1.3.2 无铅焊料的立法13
• 1.3.3 无铅焊料的性能要求13-15
• 1.4 无铅焊料的研究现状及趋势15-18
• 1.4.1 Sn-Ag系无铅焊料15-16
• 1.4.2 Sn-Cu系无铅焊料16
• 1.4.3 Sn-Zn系无铅焊料16-18
• 1.5 Sn-Zn系无铅焊料的研究现状18-21
• 1.5.1 Sn-Zn-Bi18-20
• 1.5.2 Sn-Zn-Cu20
• 1.5.3 Sn-Zn-Al20
• 1.5.4 Sn-Zn-Ag20-21
• 1.5.5 Sn-Zn-In21
• 1.5.6 Sn-Zn-(Re、Ga、P)21
• 1.6 Sn-Zn系无铅焊料亟待解决的问题21-22
• 1.7 本论文研究的目的及主要内容22-23
• 1.7.1 研究目的22
• 1.7.2 研究内容22-23
• 1.8 研究的技术路线23-24
• 2 Cu元素对Sn-8Zn-3Bi焊料的组织、润湿和氧化性能影响24-40
• 2.1 引言24
• 2.2 实验方法24-29
• 2.2.1 焊料合金的选择与制备24-25
• 2.2.2 制备焊料小球25-26
• 2.2.3 合金成分、组织及相分析26-27
• 2.2.4 钎料抗氧化实验27
• 2.2.5 铺展实验27-29
• 2.3 实验结果与讨论29-39
• 2.3.1 显微组织观察31-33
• 2.3.2 表面光泽对比33-35
• 2.3.3 润湿性35-37
• 2.3.4 Cu对合金熔点的影响37-39
• 2.4 本章小结39-40
• 3 Cu元素对焊点界面及力学性能的影响40-56
• 3.1 引言40
• 3.2 实验材料及方法40-42
• 3.2.1 焊料的硬度测试40-41
• 3.2.2 剪切试样制备41-42
• 3.2.3 时效处理42
• 3.2.4 剪切断口形貌观察42
• 3.3 实验结果与分析42-54
• 3.3.1 Cu元素对Sn-8Zn-3Bi焊料界面组织的影响44-45
• 3.3.2 Cu元素对Sn-8Zn-3Bi接头剪切强度的影响45-46
• 3.3.3 焊点的断裂位置分析46-48
• 3.3.4 剪切断口分析48-50
• 3.3.5 Sn-8Zn-3Bi-xCu/Cu界面时效微观组织演变50-52
• 3.3.6 时效对Sn-8Zn-3Bi-xCu/Cu接头剪切强度的影响52-54
• 3.4 本章小结54-56
• 4 Cu对钎料耐蚀性的影响56-65
• 4.1 实验材料及方法56-58
• 4.1.1 浸泡失重实验56
• 4.1.2 浸泡失重实验分析方法56-57
• 4.1.3 电化学腐蚀试验57-58
• 4.2 实验结果与分析58-64
• 4.2.1 浸泡腐蚀实验结果与分析58-61
• 4.2.2 极化曲线分析61
• 4.2.3 钎料腐蚀后的表面形貌61-64
• 4.3 本章小结64-65
• 结论65-66
• 参考文献66-72
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果72-73
• 致谢73

【参考文献】

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本文编号：532260