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Cu和Zn元素的添加对SnBi无铅焊料合金性能的影响

作　者: 尹恒刚
导　师: 沈骏
学　校: 重庆大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 无铅焊料熔化特性润湿性机械性能热导率
分类号: TG42
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文以Sn42Bi58、Sn59.9Bi40Cu0.1和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1三种焊料合金为研究对象，通过采用差热分析、微观组织分析、热导率测试、润湿铺展率和润湿平衡实验、显微硬度测试、拉伸实验及断口形貌观察，系统研究了Cu和Zn元素的添加对三种SnBi焊料合金熔化特性、微观组织、热导率、电导率、润湿性能及力学性能的影响。最后对三种SnBi焊料合金/Cu焊接接头进行剪切实验，通过断口形貌和界面微观组织观察分析，讨论了三种焊料合金焊接接头的断裂机理。全文的结论如下：研究了Cu和Zn元素的添加对三种SnBi焊料合金熔化特性、微观组织、热导率和电导率的影响。结果表明：0.1%Cu元素的添加对SnBi焊料合金熔化开始温度影响不大，但明显降低了焊料合金熔化峰值温度，并缩短糊状区。Cu元素在SnBi焊料合金中形成Cu₆Sn₅金属间化合物，细化了焊料合金中的富Bi相和β-Sn相。Zn元素的添加明显降低了SnBi焊料合金熔化的开始温度和峰值温度，但是对糊状区的缩短作用不明显。Zn元素在SnBiCu焊料合金中大部分以黑色针状富Zn相的形式存在，小部分Zn元素在SnBiCu焊料合金中形成Cu₅Zn₈金属间化合物，细化了焊料合金的微观组织。另外，研究结果表明Sn59.9Bi40Cu0.1焊料合金的热导率和电导率高于Sn42Bi58焊料合金，但低于Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金。这主要是由Bi含量降低引起的，因为Bi是半金属元素，其热导率和电导率都非常小。由于Zn元素在Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金中主要以黑色针状富Zn相形式存在，其热导率和电导率非常高，所以Zn元素的添加提高了Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金的热导率和电导率。研究了Cu和Zn元素的添加对三种SnBi焊料合金力学性能的影响。结果表明：Cu元素在SnBi焊料合金中形成的Cu₆Sn₅金属间化合物，起细晶强化和弥散强化作用，提高了SnBi焊料合金的抗拉强度、延展性和硬度。小部分Zn元素在SnBiCu焊料合金中形成的Cu₅Zn₈金属间化合物，其对焊料合金的强化机理与Cu元素相似。然而，大部分Zn元素形成的黑色针状富Zn相割裂了延性基体β-Sn相，使SnBiCu焊料合金的延展性变差。拉伸曲线及断口形貌分析结果显示本论文研究的三种SnBi焊料合金拉伸试样断口均属于准解理断口，断裂均发生在富Bi相处。研究了Cu和Zn元素的添加对三种SnBi焊料合金润湿性能的影响。结果表明：本论文研究的三种焊料合金润湿力比传统的Sn63Pb37焊料合金小。焊接温度为250℃时，Sn63Pb37焊料合金在Cu基板上的润湿时间比本论文中研究的三种SnBi焊料合金长，这是因为Sn63Pb37焊料合金的黏度较大，流动性较差。另外，对于Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金，适量的R04松香能防止Zn元素在焊料合金表面形成氧化膜，降低焊料合金的表面能，从而提高Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金在Cu基板上的润湿性并缩短润湿时间。铺展率实验表明Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金的润湿性能比Sn42Bi58和Sn59.9Bi40Cu0.1焊料合金的差，这是因为Zn元素的表面能大且易氧化，易在焊料合金的表面形成氧化膜，阻碍该焊料合金在铜基板上的润湿。研究了三种SnBi/Cu焊接接头的剪切性能。结果表明：三种SnBi/Cu焊接接头几乎都是在弹性变形之后即断裂，焊接接头中空洞引起的应力集中以及Cu₆Sn₅金属间化合物与焊料基体之间的体积应力是焊接接头沿焊料/基板界面断裂的主要原因。焊接接头中的空洞还削弱了焊接接头的有效连接面积，从而降低焊接接头的剪切强度，所以Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu焊接接头的剪切强度比Sn42Bi58/Cu和Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu焊接接头的低。根据断口形貌，Sn42Bi58/Cu和Sn57.9Bi40Zn2-Cu0.1/Cu焊接接头剪切断裂机制属于准解理和沿晶脆性断裂的混合型断裂，而Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu焊接接头剪切断裂机制属于准解理断裂。微观组织分析显示三种焊料合金焊接接头界面处的金属间化合物层均为连续的Cu₆Sn₅相。另外Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu界面处的β-Sn基体上分布着大量细小的富Bi相，而Sn42Bi58/Cu基体附近则分布着粗大的富Bi相。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-20
  1.1 软钎焊焊料合金在微电子封装及组装互连技术中的应用  10
  1.2 传统 SnPb 焊料合金  10-11
  1.3 无铅焊料合金的提出  11-12
  1.4 无铅焊料合金的性能要求  12-14
  1.5 无铅焊料合金的研发状况  14-19
    1.5.1 国外的研发状况  14-15
    1.5.2 国内的研发状况  15
    1.5.3 主要的无铅焊料合金体系及其应用现状  15-19
  1.6 选题的意义及研究内容  19-20
2 实验材料及方法  20-32
  2.1 原料配制和合金熔炼  20-21
  2.2 DSC 分析  21-22
  2.3 焊料合金拉伸性能实验  22
  2.4 焊料合金润湿性实验  22-27
    2.4.1 焊料合金铺展率实验  23-24
    2.4.2 润湿平衡实验  24-27
  2.5 焊接接头剪切实验  27-28
  2.6 焊料合金热导率实验  28-30
  2.7 焊料合金显微硬度测试  30
  2.8 焊料合金微观组织及焊接界面微观组织分析  30-32
3 Cu 和 Zn 元素的添加对 SnBi 无铅焊料合金熔化特征、微观组织、热导率和电导率的影响  32-42
  3.1 引言  32
  3.2 SnBi 焊料合金熔化特性分析  32-34
  3.3 Cu 和 Zn 元素的添加对 SnBi 焊料合金微观组织的影响  34-38
  3.4 SnBi 三种焊料合金热导率及电导率分析  38-39
  3.5 本章小结  39-42
4 Cu 和 Zn 元素的添加对 SnBi 无铅焊料合金力学性能的影响  42-50
  4.1 引言  42
  4.2 Cu 和 Zn 元素的添加对 SnBi 无铅焊料合金拉伸性能的影响  42-44
  4.3 Cu 和 Zn 元素的添加对 SnBi 无铅焊料合金拉伸断口形貌的影响  44-47
  4.4 显微硬度分析  47
  4.5 本章小结  47-50
5 Cu 和 Zn 元素的添加对 SnBi 无铅焊料合金润湿性能的影响  50-58
  5.1 引言  50
  5.2 润湿平衡实验结果与分析  50-54
  5.3 铺展率实验结果与分析  54-55
  5.4 本章小结  55-58
6 SnBi/Cu 焊接接头的剪切性能及界面微观组织分析  58-66
  6.1 引言  58
  6.2 焊接接头的剪切性能  58-60
  6.3 焊接接头剪切断口形貌分析  60-63
    6.3.1 剪切断口宏观形貌分析  60-61
    6.3.2 剪切断口微观形貌分析  61-63
  6.4 界面微观组织分析  63-64
  6.5 本章小结  64-66
7 全文结论  66-68
致谢  68-70
参考文献  70-76
附录  76
  A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  76
  B.作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录  76

Cu和Zn元素的添加对SnBi无铅焊料合金性能的影响

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