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低熔点Sn-Zn系无铅焊料研究

2020-11-22阅读(899)

低熔点Sn-Zn系无铅焊料研究

论文摘要

Pb是一种有毒物质。电子产品中由于使用了大量含Pb的焊料进行封装,因此对人类健康造成了严重的威胁。随着RoHS指令（关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令）和WEEE指令（关于废旧电子电气设备指令）在欧盟议会获得批准,电子产品在2006年7月1日后将禁止含Pb。因此,世界各国目前正在积极开展无铅焊料领域的研究,其中Sn-Zn系焊料由于熔点最为接近传统焊料,有望成为新一代的无铅焊料。然而,Sn-Zn二元合金在铜表面的润湿性差、且抗氧化性不良,不能直接用于电子产品。近几年来,采用合金化方法改善Sn-Zn系焊料润湿性的研究取得了一定的进展,并且已有少量的Sn-Zn系合金投入实际应用。但是,由于Sn-Zn系合金的润湿性、抗氧化性问题并没有得到根本解决,在实际生产中往往要求增加焊剂活性或气氛保护以帮助焊料获得良好的润湿,因此这种焊料难以被推广应用。本论文以具有应用潜力的Sn-Zn-Bi合金为研究对象,以提高焊料的润湿性为主要研究目标,综合考虑合金的熔点、熔程及力学性能,对Sn-Zn-Bi焊料进行了成分的优化;在此基础上,通过加入少量或微量的其它合金元素（Nd、La、In）,进一步提高了Sn-Zn-Bi焊料的润湿性和抗氧化性等性能,形成了具有优良综合性能的成分配方。此外,本文还采用时效的方法研究了几种优选合金与Cu基底焊后接头的界面扩散及界面生长行为,以及扩散反应层的生长对接头剪切强度的影响。合金元素Bi的加入不仅能够降低Sn-Zn系焊料熔体的表面张力,而且能够降低焊料/Cu接头的界面张力,因而提高了Sn-9Zn-xBi焊料的铺展性。当合金中Bi含量达到6%时,最大气泡压力法测得的焊料熔体在240℃下的表面张力接近Sn-40Pb合金的表面张力。理论计算进一步证明Bi能够有效降低Sn-Zn系焊料的表面张力,其作用机理是Bi原子在焊料熔体表面的富集作用。润湿平衡实验表明,Sn-Zn系焊料中添加Bi后,焊料在Cu基底上的润湿力明显提高,而润湿时间明显缩短。运用相关的力学理论推导,可以证明焊料润湿力的提高与焊料/Cu界面的界面张力降低直接相关。虽然Zn含量的增加会导致Sn-Zn-Bi三元合金熔体表面张力提高,但合金在Cu基底上的铺展面积却随Zn含量的增加而增大,这是因为Zn在焊料/Cu表面的优先扩散降低了液-固界面的界面张力。润湿力测试结果表明焊料在Cu基底上的润湿力随Zn含量的提高而增大,但润湿时间明显延长。对接头的组织分析表明,焊料/Cu界面层上的扩散反应区厚度随焊料中Zn含量的提高而增大。正是因为扩散过程需要更长的时间,因此Sn-Zn系焊料在Cu基底上的润湿过程也需要更长的时间。添加微量的稀土元素Nd、La或少量添加元素In能够明显提高Sn-8Zn-3Bi焊料的铺展性,其作用机理与Bi类似。Nd对提高焊料润湿性的作用效果比La、In更加显著。铺展性实验表明:当焊料中Nd的含量为0.1%时,焊料的铺展性接近Sn-40Pb焊料的水平;该焊料的润湿时间只有0.45S,低于Sn-40Pb焊料的润湿时间（0.61S）。Nd的加入能够降低Sn-Zn-Bi合金熔体表面上Zn的含量,减少Zn与O结合的几率。同时,合金熔体表面的Nd与O会发生反应,但形成的速度较慢,阻碍了O向焊料内部的扩散,因此明显提高了Sn-Zn-Bi焊料的抗氧化性。在Sn-Zn-Bi合金中加入La也能够减少ZnO的形成。然而,这种稀土元素自身极易与O结合而形成大量的氧化物,因此La对提高Sn-Zn-Bi合金的抗氧化性的效果并不显著。In在焊料中不易富集于表面,但同样能够使Bi在焊料熔体表面富集,减少ZnO的生成量,从而提高合金的抗氧化性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 电子钎焊材料的应用背景
  • 1.1.1 电子组装技术
  • 1.1.2 电子钎焊材料的产品形式
  • 1.2 Sn-Pb 焊料带来的环境问题
  • 1.3 无铅焊料的提出
  • 1.3.1 无铅焊料的立法
  • 1.3.2 无铅焊料的性能要求
  • 1.4 无铅焊料的研究现状及发展趋势
  • 1.4.1 现有的无铅焊料合金系及研究现状
  • 1.4.2 无铅焊料的发展趋势
  • 1.5 Sn-Zn 系无铅焊料的研究现状
  • 1.5.1 Sn-Zn-Bi 焊料
  • 1.5.2 Sn-Zn-Al
  • 1.5.3 Sn-Zn-Ag
  • 1.5.4 Sn-Zn-（In, Cu）
  • 1.5.5 Sn-Zn-（Re, Ga,P）
  • 1.5.6 Sn-Zn 系无铅焊料亟待解决的关键问题
  • 1.6 本论文的研究目的及主要内容
  • 1.6.1 研究的目的
  • 1.6.2 研究的内容
  • 参考文献
  • 第二章 实验过程及研究方法
  • 2.1 研究的工艺路线
  • 2.2 合金成分设计
  • 2.2.1 三元合金的成分设计
  • 2.2.2 四元合金的成分设计
  • 2.3 合金制备
  • 2.3.1 原材料的准备
  • 2.3.2 熔炼工艺
  • 2.4 铺展性实验
  • 2.4.1 润湿性的表征
  • 2.4.2 铺展性测试方法
  • 2.4.3 实验材料
  • 2.4.4 实验装置
  • 2.4.5 实验方法
  • 2.5 润湿平衡实验
  • 2.5.1 润湿平衡法与反应润湿
  • 2.5.2 实验材料
  • 2.5.3 实验装置
  • 2.5.4 实验方法
  • 2.6 表面张力实验
  • 2.6.1 实验材料
  • 2.6.2 实验装置
  • 2.6.3 实验方法
  • 2.7 热分析及热重分析
  • 2.8 焊料力学性能实验
  • 2.9 焊点剪切强度实验
  • 2.10 表面成分分析
  • 2.11 合金成分、组织及相分析
  • 2.11.1 金相显微分析（OM）
  • 2.11.2 扫描电镜分析（SEM）
  • 2.11.3 X 射线衍射分析（XRD）
  • 参考文献
  • 第三章 合金元素对 Sn-Zn 系焊料润湿性的影响及其作用机理
  • 3.1 三元合金的成分设计
  • 3.2 Sn-Zn-Bi 三元合金的铺展性
  • 3.2.1 Bi 含量改变对Sn-Zn-Bi 合金铺展性的影响
  • 3.2.2 Zn 含量改变对Sn-Zn-Bi 合金铺展性的影响
  • 3.3 Sn-Zn二元及Sn-Zn-Bi系三元合金表面张力测量
  • 3.4 Sn-Zn-Bi 焊料/Cu 界面的界面张力及微观组织分析
  • 3.4.1 Bi、Zn 含量改变对Sn-Zn-Bi 系焊料润湿力及润湿时间的影响
  • 3.4.2 Sn-Zn-Bi 焊料/Cu 界面微观组织分析
  • 3.5 Sn-Zn 系四元焊料的成分设计
  • 3.6 第四组元对Sn-Zn-Bi 焊料铺展性的影响
  • 3.6.1 Nd、La 对Sn-Zn-Bi 焊料铺展性的影响
  • 3.6.2 In 对Sn-Zn-Bi 焊料铺展性的影响
  • 3.7 第四组元对Sn-Zn-Bi 焊料表面张力的影响
  • 3.7.1 Nd、La 对Sn-Zn-Bi 合金表面张力的影响
  • 3.7.2 In 对Sn-Zn-Bi 合金表面张力的影响
  • 3.8 Sn-Zn-Bi-X 四元焊料/Cu 界面的界面张力及微观组织分析
  • 3.8.1 Nd、La、In 对Sn-8Zn-3Bi 焊料润湿力及润湿时间的影响
  • 3.8.2 Sn-Zn-Bi-X 四元焊料/Cu 界面微观组织分析
  • 3.9 合金元素对Sn-Zn 系焊料表面张力的作用机理的理论分析
  • 3.9.1 基于热力学原理的计算模型
  • 3.9.2 基于Butler 方程的计算程序
  • 3.9.3 基于Butler 方程的二元及三元焊料表面张力理论计算
  • 3.9.4 讨论
  • 3.10 界面扩散反应对Sn-Zn-Bi 焊料润湿性的影响机理
  • 3.11 本章结论
  • 参考文献
  • 第四章 合金元素对 Sn-Zn 系焊料抗氧化性能影响
  • 4.1 热重分析（TGA）
  • 4.2 俄歇能谱分析（AES）
  • 4.3 讨论
  • 4.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 Sn-Zn系焊料的组织及相变温度
  • 5.1 合金元素对Sn-Zn 系焊料组织的影响
  • 5.1.1 Bi 对Sn-Zn-Bi 系合金组织的影响
  • 5.1.2 Zn 含量的变化对Sn-Zn-Bi 系合金组织的影响
  • 5.1.3 Nd、La 对Sn-Zn-Bi 合金组织的影响
  • 5.1.4 In 对Sn-Zn 系合金组织的影响
  • 5.2 合金元素对Sn-Zn 系焊料熔点及熔程的影响
  • 5.2.1 Bi 对Sn-Zn 系焊料熔点及熔程的影响
  • 5.2.2 Zn 含量对Sn-Zn-Bi 系焊料熔点及熔程的影响
  • 5.2.3 Nd、La、In 对Sn-Zn 系焊料熔点及熔程的影响
  • 5.3 讨论
  • 5.3.1 Sn-Zn-Bi 三元合金组织及初生相
  • 5.3.2 Sn-Zn-Bi 三元合金的相变点及熔程
  • 5.3.3 Nd、La、In 对Sn-8Zn-3Bi 合金微观组织的影响
  • 5.4 本章结论
  • 参考文献
  • 第六章 合金元素对 Sn-Zn 系焊料力学性能影响及接头时效分析
  • 6.1 合金元素对Sn-Zn 系焊料力学性能的影响
  • 6.1.1 Bi 对Sn-Zn 系焊料力学性能的影响
  • 6.1.2 Zn 对Sn-Zn 系焊料力学性能的影响
  • 6.1.3 Nd、La 对Sn-Zn 系焊料力学性能的影响
  • 6.1.4 In 对Sn-Zn 系焊料力学性能的影响
  • 6.2 焊料拉伸断口的形貌分析
  • 6.2.1 Sn-Zn 二元及Sn-Zn-Bi 三元合金的断口形貌分析
  • 6.2.2 Sn-Zn-Bi-X（Nd,La,In）四元合金的断口形貌分析
  • 6.3 接头剪切强度及微观组织
  • 6.3.1 Sn-Zn-Bi-X（Nd,La,In）焊料/Cu 接头的剪切强度
  • 6.3.2 焊料/Cu 接头的断口形貌及微观组织
  • 6.4 时效对接头剪切强度的影响
  • 6.5 时效接头的断口形貌分析
  • 6.6 时效接头的组织分析
  • 6.7 讨论
  • 6.7.1 针片状Zn 相的形成机理及其对力学性能的影响
  • 6.7.2 合金元素对Sn-Zn 系焊料力学性能的影响
  • 6.7.3 Sn-Zn 系焊料/Cu 接头的扩散反应及其对接头力学性能的影响
  • 6.8 本章结论
  • 参考文献
  • 第七章 结论
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的论文及取得的科研成果

    • 相关论文文献

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