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添加纳米颗粒的复合无铅钎料及其微连接接头性能研究

作　者: 孙莉
导　师: 齐芳娟
学　校: 石家庄铁道学院
专　业: 材料学
关键词: Sn-3.5Ag无铅钎料纳米颗粒 IMC 机械弯曲疲劳可靠性
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

由于目前在相当的熔化温度、润湿性、机械性能和成本条件下,尚未找到铅锡焊料的理想替代物。因此,新型无铅钎料的设计和研制是无铅钎料领域的前沿性课题。本文以Sn-3.5Ag无铅钎料为研究对象,通过在其中添加不同量的纳米镍、纳米铜颗粒,使用机械搅拌的方法分别制成了添加纳米镍颗粒和纳米铜颗粒的复合无铅钎料。在此基础上,分别研究了添加不同量纳米颗粒的复合钎料的熔点,润湿性和显微硬度等性能,以分析添加纳米颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料性能的影响。此外,还对添加纳米颗粒的复合无铅钎料微连接接头的可靠性和微连接接头中金属间化合物(IMC)进行了初步的研究,以期望通过钎焊接头中IMC的变化对添加纳米颗粒后钎焊接头可靠性的变化作出初步的解释。研究表明：(1)添加纳米Cu颗粒使钎料的熔点有了明显的降低,润湿性呈现下降的趋势,显微硬度比原始Sn-3.5Ag钎料有所提升。(2)添加纳米Ni颗粒使钎料的熔点降低,润湿性得到提高,显微硬度出现了下降的现象。(3)添加纳米Cu颗粒对焊接接头连接处的IMC和焊料内部的IMC均有很大的影响。添加纳米Cu颗粒后,剪切性能随着回流时间和纳米颗粒含量的变化比较复杂。通过对剪切断口的观察发现,这种复杂的变化情况的出现可能是界面连接处IMC的变化、钎料内部IMC的变化和空洞这三种因素的共同作用的结果。添加纳米Cu颗粒后的钎料的机械弯曲疲劳强度得到了提升,但是随着纳米Cu颗粒含量的增加钎料的疲劳性能又呈现降低的趋势,纳米Cu颗粒含量为0.5%时钎料的机械弯曲疲劳强度最高。(4)添加纳米Ni颗粒对Sn-3.5Ag钎料的焊接接头中的IMC的成分,形态及IMC层厚度均造成很大的影响。在回流60s和120s的情况下,添加纳米Ni颗粒使钎料的剪切性能下降。当回流时间延长到240s时,添加纳米Ni颗粒使钎料的剪切性能得到提升。添加纳米Ni颗粒可以使钎料的机械弯曲疲劳强度得到提高,其中添加0.5%纳米Ni颗粒的钎料的疲劳强度最高。(5)添加纳米颗粒后,钎料焊点的疲劳裂纹几乎没有在BGA与焊盘的连接处的IMC层出现,而原始Sn-3.5Ag钎料焊点的疲劳裂纹大部分都出现在BGA与焊盘的连接处的IMC层。这说明了钎料与焊盘连接处的IMC的强度在添加纳米颗粒后得到了明显的提高。这可能是添加纳米颗粒后钎料疲劳强度得到提升的主要原因。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-21
  1.1 引言  10
  1.2 无铅焊料的研究背景  10-11
  1.3 无铅钎料的发展现状  11-13
  1.4 无铅钎料要解决的问题  13-19
    1.4.1 无铅钎料的熔点  13-14
    1.4.2 润湿性  14-15
    1.4.3 无铅钎料中金属间化合物的形成  15-17
    1.4.4 可靠性问题  17-19
  1.5 纳米技术在钎焊中的应用情况  19
  1.6 无铅复合钎料的研究  19-20
  1.7 本文研究的内容  20-21
第二章试验研究方法  21-31
  2.1 复合钎料的配制  21-22
  2.2 熔点的测定  22-23
  2.3 维氏显微硬度的测量  23
  2.4 铺展面积法测定润湿性  23-25
  2.5 焊点的可靠性测试方法  25-30
    2.5.1 剪切试样、疲劳试样的制备  25-27
      2.5.1.1 剪切试样的制备  25-27
      2.5.1.2 机械弯曲疲劳试样的制备  27
    2.5.2 剪切性能的测定  27-28
    2.5.3 疲劳性能的测定  28-30
  2.6 微观组织分析  30-31
    2.6.1 光学显微镜分析  30
    2.6.2 扫描电子显微镜分析  30-31
第三章添加纳米铜颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料熔点、润湿性和显微硬度的影响  31-39
  3.1 引言  31
  3.2 添加纳米铜颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料熔点的影响  31-33
  3.3 添加纳米Cu颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料润湿性的影响  33-36
  3.4 添加纳米铜颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料显微硬度的影响  36-38
  3.5 本章小结  38-39
第四章添加纳米镍颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料熔点、润湿性和显微硬度的影响  39-46
  4.1 引言  39
  4.2 添加纳米镍颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料熔点的影响  39-40
  4.3 添加纳米镍颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料润湿性的影响  40-43
  4.4 添加纳米镍颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料显微硬度的影响  43-44
  4.5 本章小结  44-46
第五章添加纳米铜颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料焊接接头微观结构及可靠性的影响  46-65
  5.1 引言  46
  5.2 添加纳米铜颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料焊接接头微观结构的影响  46-54
    5.2.1 不同回流时间下,纳米Cu颗粒含量对钎料与基板连接处IMC影响  46-50
    5.2.2 不同回流时间下,纳米Cu颗粒含量对钎料内部IMC的影响  50-54
      5.2.2.1 引言  50-52
      5.2.2.2 试验结果  52-54
  5.3 添加纳米铜颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料焊接接头剪切性能的影响  54-59
    5.3.1 添加纳米铜颗粒对焊接接头剪切力的影响  55-56
    5.3.2 剪切断口微观形貌分析  56-59
  5.4 添加纳米铜颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料焊接接头疲劳性能的影响  59-63
    5.4.1 疲劳断裂模式分析  60-62
    5.4.2 添加纳米铜颗粒对钎料疲劳性能的影响  62-63
  5.5 本章小结  63-65
第六章添加纳米镍颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料焊接接头微观结构及可靠性的影响  65-79
  6.1 引言  65
  6.2 添加纳米镍颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料焊接接头微观结构的影响  65-72
    6.2.1 不同回流时间下,纳米Ni颗粒含量对钎料与基板连接处IMC影响  65-69
    6.2.2 不同回流时间下,纳米Ni颗粒含量对钎料内部IMC的影响  69-72
  6.3 添加纳米镍颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料焊接接头剪切性能的影响  72-76
    6.3.1 添加纳米镍颗粒对焊接接头剪切力的影响  72-73
    6.3.2 剪切断口微观形貌分析  73-76
  6.4 添加纳米铜颗粒对Sn-3.5Ag无铅钎料焊接接头疲劳性能的影响  76-77
  6.5 本章小结  77-79
第七章结论与展望  79-82
  7.1 结论  79-80
  7.2 下一步的工作展望  80-82
参考文献  82-90
致谢  90-91
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文  91

添加纳米颗粒的复合无铅钎料及其微连接接头性能研究

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