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SnAgBi无铅焊料熔体状态对凝固组织及焊接接头可靠性的影响

作　者: 李小蕴
导　师: 祖方遒
学　校: 合肥工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 无铅焊料液液结构转变凝固组织界面IMC生长接头可靠性
分类号: TG425
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

焊料的无铅化是国内外电子、电气、仪表及家用电器等行业的共识。然而，与传统PbSn焊料相比，现有无铅焊料在工艺及服役性能等方面仍存在诸种不足。迄今，国内外研究者多从成分选择与配比的优化、微合金化、稀土元素的加入及冷却速度上着手进行研究，却很少有人关注无铅焊料制备过程的熔体结构与状态对焊料本身的凝固组织、焊料施焊过程的工艺性能、接头力学性能以及服役过程中的组织稳定性等方面的影响和规律。本文选取Sn-3.5Ag共晶合金为研究对象，以温度诱导液液结构转变为切入点，通过改变焊料的制备温度，以及添加第三元素Bi来探索熔体结构和性质的变化规律，进而探索熔体结构对无铅焊料凝固组织、润湿性能、接头剪切性能、断裂机理及时效过程IMC生长的影响和规律。本文工作所取得的主要创新性成果和认知如下：1、以两轮升降温过程以及特定温度保温方式，探索了Sn-3.5Ag-xBi（x=0,2,3.5,5,7）焊料电阻率-温度行为，所揭示的现象直观地表明，Sn-3.5Ag-xBi熔体发生了温度诱导的液液结构转变。其具体特征表现为：Sn-3.5Ag-xBi焊料熔体首轮升温过程的结构转变是不可逆的；合金熔体在后续降温及第二轮升降温过程中所发生的液液结构转变具有可逆性；两种转变的温度区间均随成分而有所不同。分析认为，首轮加热熔体转变的物理本质在于，低温熔体原有同类原子团簇（SnN、BiM）及异类团簇（Sn-Ag化学短程序）在一定高温范围被打破并形成新的原子团簇，其相应熔体状态的均匀性及无序度更高；而可逆转变则与具有四面体短程有序结构的Sn-Sn共价键的可逆特征有关。2、凝固热分析及组织检验表明，焊料制备过程的熔体状态对其凝固行为和组织产生显著的影响，与首轮转变前的相比，转变后熔体状态的凝固特点如下：（1）形核过冷度及共晶生长过冷度均明显增大。（2）凝固组织显著细化，表现为初生相及共晶体内间距的尺度均变小，且组织分布更加均匀。（3）共晶生长方式发生了质的改变：一方面，共晶体中Ag3Sn相由原来小平面生长特征的不规则分布，转变为以非小平面生长特征的平行规则分布为主；另一方面，共晶团形貌由原来的粗大树枝状转变为细小的等轴共晶。3、就制备方法对焊料施焊工艺性能及接头强度影响而言，液液结构转变后熔体状态所获得的焊料，与铜基板的润湿性得到改善，即润湿角变小，而且焊接接头的剪切强度也得到明显提高。分析认为，润湿性的改善，一方面得益于焊料凝固组织细化而在施焊过程中熔化更加容易，更为重要的是，熔体首轮不可逆转变致使焊料熔化后其更均匀且更无序的熔体状态，使焊料熔体与Cu基板之间的表面能SL降低；而接头强度的提高，一则是由于焊料本身组织的细化，再则因润湿性改善界面处更加易于形成完美的原子间结合。4、研究表明，焊料中Bi的含量对焊料的工艺性能及接头可靠性也有不可忽略的作用。随着Bi量的增大，Sn-3.5Ag-xBi焊料熔点降低，同时润湿角减小，润湿性能得到显著提高；接头强度随Bi量显著提高，在Bi含量为5%时焊料剪切强度达到最大值。剪切试样的断口分析表明，焊料中Bi含量较少时(＜3.5%)，焊接接头的断裂机制为完全的韧性断裂，而Bi含量较高时(＞3.5%)，接头的断裂机制转变为韧性和脆性断裂的混合断裂机制。5、液液结构转变对所制备焊料的焊接接头界面结构，以及模拟一定服役温度下的界面行为的作用表现为：能够改善焊后界面IMC的形态，使之分布更加均匀平坦，IMC过渡层厚度也有所减小；在特定温度下时效过程中，一方面可减慢接头界面IMC的生长速率，另一方面，可减少界面处柯肯达尔孔洞的数量，抑制焊料中微裂纹的产生。这些作用均有利于提高焊接接头服役过程的可靠性。数据分析表明，液液结构转变提高了SnAgBi/Cu界面IMC的生长激活能，从物理机制上说明了液液结构转变提高组织稳定性的原因。综合上述几方面结论可见，基于SnAgBi无铅焊料在特定温度范围熔体状态发生改变这一重要现象，可有目标地对焊料制备方法进行创新，从而改善焊料本身的凝固组织，进而提高其焊接工艺性能、焊接接头的力学性能，同时改善焊后界面微观结构以及服役过程接头的组织稳定性和可靠性。作者希望并相信，本文系列工作及其所揭示的现象和规律，可为无铅焊料制备工艺方法的创新、新型绿色焊料的研发和生产提供科学与技术依据。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-13
致谢  13-20
第一章绪论  20-41
  1.1 无铅焊料的研究背景  20-23
    1.1.1 钎焊与钎料  20-21
    1.1.2 传统锡铅焊料  21
    1.1.3 焊料无铅化的必然性  21-23
  1.2 无铅焊料的性能评价  23-26
    1.2.1 合适的熔化温度  23-24
    1.2.2 良好的润湿性  24-25
    1.2.3 良好的机械性能  25
    1.2.4 合适的物理性能  25-26
  1.3 无铅焊料的研究现状  26-31
    1.3.1 添加合金元素对无铅焊料性能的影响  26-27
    1.3.2 稀土元素对无铅焊料性能的影响  27-28
    1.3.3 冷却速度对无铅焊料性能的影响  28
    1.3.4 无铅焊料可靠性的研究  28-31
  1.4 液态金属的结构  31-34
    1.4.1 液态金属结构的理论模型  31
    1.4.2 描述液态结构的主要参数  31-32
    1.4.3 液态金属结构的有序性  32
    1.4.4 液态结构的研究方法  32-34
  1.5 液-液结构转变的发现  34-37
    1.5.1 压力诱导液液结构转变的发现  34-35
    1.5.2 温度诱导液液结构转变的发现  35-37
  1.6 液液结构转变对凝固行为和凝固组织的影响  37-40
    1.6.1 熔体热处理的基本方法  37-38
    1.6.2 液液结构转变对凝固的影响  38-40
  1.7 本文的主要研究内容  40-41
第二章实验研究方法  41-52
  2.1 研究对象的选择  41-42
  2.2 电阻率实验  42-44
    2.2.1 电阻法测量的原理  42-43
    2.2.2 实验装置示意图及设备组成  43
    2.2.3 电阻率测量的步骤  43-44
  2.3 凝固实验  44-46
    2.3.1 凝固实验熔炼温度的选择  44
    2.3.2 不同冷却条件下 Sn-3.5Ag 共晶焊料的凝固  44-45
    2.3.3 Sn-3.5Ag-xBi（x=2,3.5,5.7）焊料的凝固  45-46
    2.3.4 物相分析和组织观察  46
  2.4 润湿性实验  46-48
    2.4.1 基板的准备  46
    2.4.2 焊料的准备  46
    2.4.3 润湿性实验  46-47
    2.4.4 润湿角的求取  47-48
  2.5 剪切实验  48-50
    2.5.1 铜板的制备  48
    2.5.2 焊料的准备  48-49
    2.5.3 剪切接头的焊接  49
    2.5.4 试样的剪切  49
    2.5.5 断口扫描  49-50
  2.6 等温时效实验  50-51
    2.6.1 实验的准备  50
    2.6.2 等温时效实验  50
    2.6.3 IMC 厚度的测量  50-51
  2.7 本章小结  51-52
第三章 SnAgBi 无铅焊料熔体的电阻率-温度行为  52-65
  3.1 引言  52-53
  3.2 升降温过程中的 Sn-3.5Ag-xBi 焊料熔体的电阻率-温度行为  53-60
    3.2.1 实验结果  53-57
    3.2.2 分析讨论  57-60
  3.3 保温及随后升温过程中的 Sn-3.5Ag-3.5Bi 焊料熔体的电阻率-温度行为  60-63
  3.4 本章小结  63-65
第四章 SnAgBi 焊料凝固组织与熔体结构的相关性  65-80
  4.1 引言  65
  4.2 不同冷速条件下液液结构转变对 Sn-3.5Ag 共晶焊料凝固组织和显微硬度的影响  65-75
    4.2.1 实验结果  65-71
    4.2.2 分析及讨论  71-75
  4.3 液液结构转变对 Sn-3.5Ag-xBi 焊料空冷凝固组织的影响  75-79
    4.3.1 实验结果  75-77
    4.3.2 液液结构转变对 Sn-3.5Ag-xBi 合金凝固组织影响机理的探讨  77-79
  4.4 本章小结  79-80
第五章 SnAgBi 无铅焊料润湿性及接头剪切性能与熔体结构的相关性  80-92
  5.1 前言  80-81
  5.2 不同熔体状态下 Sn-3.5Ag-xBi 焊料的润湿性  81-83
    5.2.1 液液结构转变对 Sn-3.5Ag-xBi 焊料润湿性的影响  81-82
    5.2.2 Bi 含量对无铅 Sn-3.5Ag-xBi 焊料润湿性的影响  82-83
  5.3 不同熔体状态下 Sn-3.5Ag-xBi 焊料剪切强度及断裂机理分析  83-91
    5.3.1 不同熔体状态下 Sn-3.5Ag-xBi/Cu 接头剪切强度  83-85
    5.3.2 液液结构转变及 Bi 含量对焊接接头断裂形式的影响  85-91
  5.4 结论  91-92
第六章液液结构转变对 SnAgBi/Cu 接头 IMC 生长的影响  92-110
  6.1 引言  92
  6.2 时效过程中液液结构转变对界面组织及生长速率的影响  92-102
    6.2.1 Sn-3.5Ag-3.5Bi/Cu 焊点形成后界面 IMC 的显微组织  92-94
    6.2.2 Sn-3.5Ag-3.5Bi/Cu 焊点时效过程中微观组织的变化  94-99
    6.2.3 界面金属间化合物生长速率常数  99-102
  6.3 液液结构转变对 Sn-3.5Ag-2Bi/Cu 接头 IMC 生长激活能的影响  102-109
    6.3.1 Sn-3.5Ag-2Bi/Cu 接头时效过程中微观组织的变化  102-104
    6.3.2 时效过程中界面金属间化合物生长方式计算  104-106
    6.3.3 IMC 生长速率常数计算  106-108
    6.3.4 IMC 生长激活能的计算  108-109
  6.4 结论  109-110
第七章全文总结与展望  110-113
  7.1 研究工作内容概要  110
  7.2 主要研究结论  110-112
  7.3 创新之处  112
  7.4 尚需解决的问题  112-113
参考文献  113-125
攻读博士学位期间发表的论文  125-126

SnAgBi无铅焊料熔体状态对凝固组织及焊接接头可靠性的影响

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