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颗粒增强Sn3.8Ag0.7Cu复合无铅焊料的研究

2020-12-07阅读(251)

颗粒增强Sn3.8Ag0.7Cu复合无铅焊料的研究

论文摘要

本文选择Sn3.8Ag0.7Cu（SAC）无铅焊料,首先研究了在Cu和Ni上经过多次焊接（1-10次）和150oC时效（50-1000小时）后的界面反应和剪切强度,并与Sn37Pb（SP）进行了对比;然后通过机械混合方法成功制备了SiC纳米颗粒复合焊料SAC-xSiC和Ni颗粒复合焊料SAC-xNi,重点研究了SAC-xNi/Cu（Ni）焊点在焊接和时效过程中的界面反应和剪切强度。结果表明:焊接过程中,SAC（SP）/Cu界面扇贝状的Cu6Sn5 IMC的生长受晶界扩散控制,而SAC（SP）/Ni界面层状IMC的生长受体扩散控制,Ni-Sn IMC晶粒和反应的速度都小于Cu-Sn。时效过程中,Cu和Ni上的IMC生长都由体扩散控制,时效50小时后,SAC（SP）/Cu界面IMC为双层结构（Cu6Sn5和Cu3Sn）;而SAC（SP）/Ni界面保持单层结构。焊接次数和时效对焊点剪切强度影响较小,富Pb相合并生长降低了SP焊点的强度,SAC的焊点强度一直高于SP。首次选用SiC纳米颗粒与焊料成功复合,复合焊料SAC-xSiC的熔点有所下降,焊料内部IMC颗粒和β-Sn相的亚晶粒显著细化,复合焊料硬度值比SAC增加30-44%。由于表面吸附效应,SiC纳米颗粒抑制了焊料中Ag3Sn的生长,强化了合金的性能,位错绕过理论的预测值与实验测得的强化结果紊合良好。SAC-xNi的工艺性能与SAC相当,Ni颗粒起形核剂的作用,复合焊料凝固过程中发生了非均匀形核,减小了过冷度,得到了颗粒Ni与焊料合金良好润湿性的判据。焊接过程中,SAC-xNi/Cu焊点界面（CuNi）6Sn5 IMC由疏松和致密的两层构成,与SAC相比,复合焊料SAC-xNi与Cu的反应速度大大增加,界面IMC晶粒显著细化,IMC的生长由反应扩散和体扩散双重控制,本文利用热-动力学理论讨论了颗粒Ni对反应速度和晶粒尺寸的影响。焊料中自由活动的Cu原子数量对SAC-xNi/Ni界面IMC的形貌和结构起决定性作用。由于Ni颗粒的添加,SAC-xNi/Cu（Ni）剪切强度有所增加,焊点断裂呈韧性特征。时效50小时后,SAC-xNi/Cu焊点界面变为双层结构即（CuNi）6Sn5和Cu3Sn层,IMC的生长受体扩散控制,添加Ni颗粒抑制了Cu3Sn层的生长。时效过程中,SAC-xNi焊料中的Cu原子逐渐扩散到Ni界面,除了SAC-2Ni/Ni外,界面都形成了双层IMC结构即（CuNi）6Sn5和（NiCu）3Sn4。500小时时效后的SAC-1Ni/Cu（Ni）和SAC-2Ni/Cu（Ni）剪切焊点,断裂区域部分发生在界面。

论文目录

  • 中文摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 焊料在电子组装中的应用
  • 1.2 无铅焊料的应用现状
  • 1.2.1 无铅焊料的发展
  • 1.2.2 SnAgCu无铅焊料
  • 1.3 复合焊料的研究
  • 1.3.1 超细氧化物颗粒强化的复合焊料
  • 1.3.2 低膨胀系数颗粒强化的复合焊料
  • 1.3.3 自适应复合焊料
  • 1.3.4 稀土复合焊料
  • 1.3.5 金属颗粒强化的复合焊料
  • 1.4 本课题的研究内容，创新点及技术路线
  • 1.4.1 主要研究内容
  • 1.4.2 研究特色与创新点
  • 1.4.3 研究技术路线
  • 第二章 实验设计与方法
  • 2.1 实验材料
  • 2.1.1 颗粒的选择
  • 2.1.2 焊接基板类型
  • 2.1.3 回流焊接曲线
  • 2.2 实验设计
  • 2.2.1 复合焊料的制备
  • 2.2.2 熔点特征和铺展性实验
  • 2.2.3 回流焊接实验步骤
  • 2.2.4 时效实验步骤
  • 2.3 金相分析及微观形貌观察
  • 2.3.1 金相试样的制作
  • 2.3.2 光学显微镜观察
  • 2.3.3 扫描电子显微镜（SEM）观察与能谱分析
  • 2.3.4 透射电子显微镜分析
  • 2.4 机械强度分析
  • 2.4.1 显微硬度测量
  • 2.4.2 剪切强度测试
  • 第三章 SAC和SP焊点在回流焊接及时效过程中的界面反应和剪切强度
  • 3.1 SAC和SP焊点在回流焊接过程中的界面反应和剪切强度
  • 3.1.1 Cu上焊点界面的显微结构与成份分析
  • 3.1.2 Ni上焊点界面的显微结构与成份分析
  • 3.1.3 界面IMC的生长行为
  • 3.1.4 焊点的剪切强度与断口分析
  • 3.2 SAC和SP焊点在时效过程中的界面反应和剪切强度
  • 3.2.1 界面显微结构与成份分析
  • 3.2.2 界面IMC的生长行为
  • 3.2.3 焊料本体的组织粗化
  • 3.2.4 焊点的剪切强度与断口分析
  • 3.3 SP/Ni和SAC/Ni焊点界面的TEM研究
  • 3.3.1 TEM样品制备
  • 3.3.2 界面结构与成份分析
  • 3.4 小结
  • 3.4.1 焊接过程中的界面反应和剪切强度
  • 3.4.2 时效过程中的界面反应和剪切强度
  • 3.4.3 SP/Ni和SAC/Ni焊点界面的TEM研究
  • 第四章 SiC纳米颗粒强化SAC焊料的研究
  • 4.1 SiC复合焊料的熔点特性
  • 4.2 SiC复合焊料的显微组织
  • 4.3 复合焊料的力学性能和强化机理
  • 4.4 添加颗粒与焊料的兼容性和实用性探讨
  • 4.5 小结
  • 第五章 SAC-xNi焊点在回流焊接过程中的界面反应和剪切强度
  • 5.1 SAC-xNi复合焊料的主要特性
  • 5.1.1 熔点特性
  • 5.1.2 润湿特性
  • 5.2 增强颗粒Ni与焊料本体的反应
  • 5.3 SAC-xNi/Cu焊点的界面反应和剪切强度
  • 5.3.1 界面显微结构与成份分析
  • 5.3.2 界面IMC的生长行为
  • 5.3.3 焊点的剪切强度
  • 5.4 SAC-xNi/Ni焊点的界面反应和剪切强度
  • 5.4.1 界面显微结构与成份分析
  • 5.4.2 界面IMC的生长行为
  • 5.4.3 焊点的剪切强度
  • 5.5 小结
  • 第六章 SAC-xNi焊点在时效过程中的界面反应和剪切强度
  • 6.1 SAC-xNi/Cu焊点的界面反应与剪切强度
  • 6.1.1 界面显微结构与成份分析
  • 6.1.2 界面IMC的生长行为
  • 6.1.3 焊点的剪切强度与断口分析
  • 6.2 SAC-xNi/Ni焊点的界面反应和剪切强度
  • 6.2.1 界面显微结构与成份分析
  • 6.2.2 焊点的剪切强度与断口分析
  • 6.3 增强颗粒Ni与焊料的反应
  • 6.4 焊料基体的组织粗化
  • 6.5 小结
  • 第七章 全文结论
  • 7.1 结论
  • 7.2 创新点
  • 参考文献
  • 发表论文和科研情况说明
  • 致谢

    • 相关论文文献

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