【正文】 SnCu系無鉛焊料簡介 SnCu 系無鉛焊料的共晶成分為 ，共晶溫度為 227℃，室溫下形成 (Sn)和 Cu6Sn5共晶組織。主要有 SnAg、 SnCu、 SnBi、 SnZn 等二元系； SnAgCu、 SnAgBi、 SnZnBi、 SnZnAg 等三元系合金 [2]。 the microhardness of the alloy decreased firstly and then increased, the alloy possess the minimum microhardness. Key words: leadfree solder, ,microhardness, welding point 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄 5 目 錄 1 緒論 ........................................................ 1 系無鉛焊料課題的提出 .............................. 1 無鉛焊料簡介 ..................................... 1 系無鉛焊料課題的引出 ........................ 1 SnCu 系無鉛焊料課題研究背景與發(fā)展?fàn)顩r ................. 2 SnCu 系無鉛焊料簡介 ............................. 2 系無鉛焊料在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 ................ 2 系無鉛焊料的主要性能分析 .......................... 3 物理性能分析 ..................................... 3 機(jī)械性能 ......................................... 4 熱學(xué)性能 ......................................... 5 潤濕性能 ......................................... 5 焊接性 ........................................... 6 系無鉛焊料的優(yōu)缺點(diǎn)分析 ............................ 6 無鉛焊料對(duì)性能的要求 ............................. 6 SnCu 系無鉛焊料的優(yōu)點(diǎn) ........................... 7 SnCu 系無鉛焊料存在的問題及其解決方案 ........... 7 添加 Ni 元素對(duì) SnCu 系無鉛焊料性能的影響 ................ 8 本文研究主要內(nèi)容和目的 ................................. 8 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程 ............................................ 9 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作 ........................................... 9 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)思想 ..................................... 9 合金成分設(shè)計(jì) ..................................... 9 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄 6 實(shí)驗(yàn)材料與儀器 ........................................ 10 實(shí)驗(yàn)材料 ........................................ 10 實(shí)驗(yàn)儀器 ........................................ 10 實(shí)驗(yàn)步驟 .............................................. 11 合金成分的確定與藥品的稱量配比 .................. 11 合金試樣的熔煉 .................................. 11 合金金相試樣的制備 .............................. 12 顯微組織、物相、成分分析 ........................ 13 顯微硬度、熔化特性分析 .......................... 14 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 ...................................... 17 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .......................................... 17 金相顯微組織分析 ................................ 17 XRD 物相分析 .................................... 20 電子探針成分分析 ................................ 20 顯微硬度分析 .................................... 22 DSC 熔化特性分析 ................................ 23 實(shí)驗(yàn)問題與討論 ........................................ 24 4 結(jié)論 ....................................................... 26 參考文獻(xiàn) .................................................... 27 致 謝 ........................................................ 29 附 錄 ........................................................ 30 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 1 1 緒論 系無鉛焊料課題的提出 無鉛焊料簡介 傳統(tǒng)錫鉛焊料是電子封裝中主要材料， 其 共晶成分為 Sn63Pb37，共晶溫度為 183℃，與常用 PCB 的耐熱性接近，并且導(dǎo)電性、可焊性良好，價(jià)格較低，因而得到廣泛應(yīng)用 。 （ 2）、 合金中添加 Ni 元素 后，組織形貌發(fā)生了明顯的變化。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘要 1 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益和 生態(tài) 環(huán)保的 要求 不斷增強(qiáng)，由于傳統(tǒng)的錫鉛焊料會(huì)對(duì)環(huán)境和人類身體健康造成危害，所以在電子封裝產(chǎn)業(yè)中無鉛焊料的發(fā)展勢(shì)在必行， SnCu 系無鉛焊料不僅成本低廉，而且綜合性能 良好 ，成為傳統(tǒng)錫鉛焊料的優(yōu)良替代品，有著很大的研究價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α＝M織中的（ ） 6Sn5相隨著 Ni 元素 含量的增多，逐漸增大且均勻化。 然而由于鉛及鉛的化合物是有毒物質(zhì)，會(huì)給環(huán)境和人類身體健康帶來危害，所以傳統(tǒng)的無鉛焊料終將被綠色環(huán)保的新型焊料所替代 — — 無鉛焊料。其中 SnCu 系無鉛釬料是近幾年發(fā)展起來的一種新型合金系統(tǒng)， 起主要成分為Sn 和 Cu， 儲(chǔ)量豐富、來源廣 ，成本低， 無毒害作用，易生產(chǎn)易回收，并且其熔化特性、 機(jī)械性能 與 SnPb 釬料相近， 在釬焊溫度對(duì)元器件影響較低的波峰焊中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并在遠(yuǎn)程通信的電子封裝上也得到了一定的應(yīng)用， 有希望 成為 替代錫鉛釬料的重要合金系 。由于 Sn 基焊料與 Cu 基板的接合界面上形成的 Cu6Sn5 金屬間化合物對(duì)焊料接合加工及其以后的接合可靠性影響很大，Sn 基的無鉛焊料中和接合界面的 Cu6Sn5金屬間化合物非常脆，往往產(chǎn)生許多微細(xì)的龜裂或者裂紋，這種龜裂與由于 Cu6Sn5的同素異晶相變態(tài)而產(chǎn)生結(jié)晶構(gòu)造 變化和發(fā)生應(yīng)力有著密切關(guān)系 。上世紀(jì)末，本世紀(jì)初，由于鉛對(duì)環(huán)境的污染，引起人們的廣泛關(guān)注。日本日秀公司開發(fā)了錫銅合金 (%Sn,%Cu)的第二代無鉛焊料，美國阿爾發(fā)公司開發(fā)了以錫銀銅合金（ 99%Sn,%Ag,%Cu）的第二代無鉛焊料。一些主要的電子產(chǎn)品生產(chǎn)國家，在無鉛焊接的研究中有積極的行動(dòng)?；亓骱负父嘀饕捎? SnAgCu 合金，而波峰焊采用較多的還 是SnCu 合金。 系無鉛焊料的主要性能分析 物理性 能分析 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 4 SnCu 系無鉛焊料的熔點(diǎn)為 227℃，由于銅的存在使得其在主要無鉛焊料中屬于最高的，從而導(dǎo)致在使用其合金時(shí)會(huì)遇到更大的困難，考慮 SnCu系無鉛焊料熔點(diǎn)較高，一般在研究合金元素對(duì) SnCu 系無鉛焊料的性能影響會(huì)選擇熔點(diǎn)較低的合金元素如鉍、鋅。 表 熔點(diǎn) T /℃ 密度 /( g? cm 3 ) 表面張力系數(shù) σ/( dyn?cm 1 ) 電阻率 ρ/(μΩ?cm) 227 491( 277℃ ) 1015 機(jī)械性能 Lin 等人對(duì) Cu， Ni 基材與 SnCu 焊料連接后的焊點(diǎn)分別進(jìn)行了疲勞測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn) SnCu/Ni 和 SnCu/Cu 有較長的疲勞壽命，且疲勞破壞均發(fā)生在焊料中 。目前常用的電路材料為 Cu， 的熱膨脹系數(shù)比 Sn37Pb 的更接近 Cu， 在服役的熱循環(huán)過程中 ， 焊點(diǎn)與母材有相近的膨脹與收縮 ， 利于減小因熱疲勞引起的應(yīng)力 ， 保證焊點(diǎn)的可靠性 。 表 合金焊料的潤濕性質(zhì) 焊料 基材尺寸 mm 表面處理 助焊劑 潤濕時(shí)間 t/s 粒間摩擦力 Fm/mN 界面張力 r/(N 系無鉛焊料的優(yōu)缺點(diǎn)分析 無鉛焊料對(duì)性能的要求 無鉛焊料最終代替錫鉛焊料 , 因此從 環(huán)保和 產(chǎn)業(yè)實(shí)用化的角度出發(fā) , 新型 無鉛焊料 的設(shè)計(jì) 應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求。焊料焊接形成的焊點(diǎn) , 一個(gè)主要的作用是傳輸電信號(hào)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 7 (4) 有良好的潤濕鋪展性。另外 Cu 來源廣，而且具有巨大的回收價(jià)值，使得無鉛焊料的生產(chǎn)成本得到降低，在環(huán)保的同時(shí)，大大提升了其經(jīng)濟(jì)效益。另外 ， Cu6Sn5金屬間化合物的熱穩(wěn)定性相對(duì)較差 ， 極易發(fā)生粗化，因而 SnCu焊料的強(qiáng)度和塑性都相對(duì)較低，因此如何抑制 Cu6Sn5金屬間化合物的分裂山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 8 也是研究 SnCu 系無鉛釬料的一項(xiàng)重要課題。由于高溫相的穩(wěn)定化，可以避免伴隨著相變態(tài)體積膨脹以及由此引起的內(nèi)部應(yīng)力的發(fā)生，從而可以抑制含 Ni 的（ ） 6Sn5金屬間化合物中的龜裂 [10]。通過分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果探究不同 Ni 元素的添加對(duì) SnCu 系無鉛焊料顯微組 織、硬度、熔化特性等的影響。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的六組配比方案如表 。用電子天平分別稱量六組試樣 置于試樣袋中并標(biāo)號(hào) 。用電子天平分別稱量六組試樣。由于 Ni粉和 Cu片的量較少，所以熔煉的溫度選擇為 1000℃。一個(gè)小時(shí)后取出坩堝空冷，待覆蓋劑表面出現(xiàn)微鹽粒后迅速扒渣。先用粗砂紙將要觀察的面粗略磨平，用 XQ1 型號(hào)鑲嵌機(jī)鑲嵌試樣。 第四步：使用完畢后，擦凈鋼套筒、內(nèi)腔和上下模，關(guān)閉電源。 由于試樣主要成分為 Sn，硬度較低，所以不宜用拋光液，而應(yīng)該用清水拋光， 最后應(yīng)在拋光盤的中心精拋 ， 拋光時(shí)試樣要不停的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì) 試樣分別拍攝金相照片， 5， 10，20， 50 四 個(gè)倍數(shù)。 XRD 原理： X 射線是 原子 內(nèi)層電子在高速運(yùn)動(dòng)電子的轟擊下躍遷而產(chǎn)生的光輻射，主要有連續(xù) X 射線和特征 X 射線兩種 。 （三）、電子探針成分分析 通過電子探針分析試樣顯微組織對(duì)應(yīng)的元素成分。 顯微硬度、熔化特性分析 （一）、 LCD 顯微硬度測(cè)試 對(duì)合金試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，步驟如下： 第一步： 轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)力變換手輪，使試驗(yàn)力符合選擇要求。 第四步：將標(biāo)準(zhǔn)試塊或試樣安放在試臺(tái)上，轉(zhuǎn)動(dòng)旋輪使試臺(tái)上升。如果視場(chǎng)太暗或太亮可通過操作面板上的軟鍵調(diào)節(jié)光源強(qiáng)弱。當(dāng)測(cè)量不規(guī)則的試樣時(shí)要小心，防止壓 頭碰及試樣，損壞壓頭。 第十步：將轉(zhuǎn)換手柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使 40X 物鏡處于主體前方，這時(shí)就可在測(cè)微目