【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 30 第五章結(jié)論 時(shí)效后微焊點(diǎn)力學(xué)性能變化 添加微量稀土元素 Pr或 Nd，均可提高焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 28 (a) (b) (c) 圖 SAC/Cu 焊點(diǎn)不同時(shí)效時(shí)間的 Ag3Sn 形貌 (a) 0h, (b) 120h, (c) 240h 稀土 Pr、 Nd 對(duì)化合物生長的影響 如圖 (b)、 (d)所示， 添加 Pr和 Nd后 的 土 Pr的 ，仍由白色的 βSn枝晶和黑色的共晶組織組成，但粗大的初生 Cu6Sn5和 Ag3Sn基本消失。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 26 (a)SAC 0 小時(shí) (b) 0 小時(shí) (c) 0 小時(shí) (d) SAC 240 小時(shí) (e) 240 小時(shí) (f) 240 小時(shí) (g) SAC 480 小時(shí) (h) 480 小時(shí) (i) 480 小時(shí) 圖 SACxNd/Cu 焊點(diǎn)時(shí)效界面形貌 圖 富稀土相成分分析圖 Cu6Sn5 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 27 第四章釬料 /Cu 焊點(diǎn)內(nèi)部化合物生長 時(shí)效過程中 Cu6Sn5 化合物顆粒的生長 如圖 ， βSn枝晶、黑色的共晶組織以及金屬間化合物組成。 (a)SAC 0 小時(shí) (b) 0 小時(shí) (c) 0 小時(shí) (d) SAC 240 小時(shí) (e) 240 小時(shí) (f) 240 小時(shí) (g) SAC 480 小時(shí) (h) 480 小時(shí) (i) 480 小時(shí) 圖 SACxPr/Cu 焊點(diǎn)時(shí)效界面形貌 圖 EDS 成分分析圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 25 圖 EDS 成分分析圖 稀土 Nd 對(duì)界面化合物生長的影響 稀土元素 Nd對(duì)界面金屬間化合物層的影響與稀土元素 Pr類似，從圖 ，比較相同時(shí)效時(shí)間的 5號(hào)試樣，加入稀土元素 Nd的試樣 IMC層較薄，說明稀土元素 Nd有效抑制了金屬間化合物層的生成。這種板條狀 Ag3Sn相的存在會(huì)對(duì)焊點(diǎn)性能帶來不利的影響。 在時(shí)效過程中，由于釬料和基體元素原子的相互擴(kuò)散，界面 IMC要繼續(xù)生長。隨著時(shí)間的推移，晶粒長大也是不可避免的。比較普通 SnAgCu釬料和含 Pr的 SnAgCu釬料可知， Pr可以有效降低焊點(diǎn)剪切力在時(shí)效過 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 20 程中的下降幅度，同時(shí)隨著 Pr含量的增加，這種效果 增強(qiáng)。由于組成焊點(diǎn)的不同相之間的熱膨脹不匹配，使焊點(diǎn)在服役過程中會(huì)經(jīng)歷周期性的應(yīng)變，形變量足夠大時(shí)會(huì)引起焊點(diǎn)中萌生微裂紋乃至斷裂。 掃描電鏡分析 利用 Quanta200型掃描電子顯微鏡觀察分析釬料顯微組織 形貌， 利用 EDS進(jìn)行成分分析 [55]。 釬料 /Cu 高溫時(shí)效試驗(yàn) 焊點(diǎn)的可靠性問題一般是指電子元器件在服役過程中，由于電流熱效應(yīng)使得焊點(diǎn)發(fā)熱，較高的溫度加速了焊點(diǎn)界面原子的遷移和組織的演化，通常界面處的金屬間化合物層會(huì)隨時(shí)間而逐漸增厚，硬且脆的金屬間化合物層是誘發(fā)裂紋萌生與擴(kuò)展的源頭，最終造成焊點(diǎn)失效，一個(gè)焊點(diǎn)的失效都有可能造成整個(gè)產(chǎn)品故障。圖 ，測試時(shí)推刀與電阻作用產(chǎn)生的相互作用力，通過傳感器傳到 STR1000主機(jī)，再輸出數(shù)據(jù)并繪制剪切曲線，整個(gè)剪切試驗(yàn)過程在室溫下完成，推刀移動(dòng)速度為 10mm/min，進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值。此外，電子產(chǎn)品的組裝在由使用傳統(tǒng)的 SnPb釬料轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂脽o鉛釬料后，相應(yīng)的工藝參數(shù)、材料性能等的改變，必然會(huì)對(duì)焊點(diǎn)可靠性帶來新的問題，因此無鉛焊點(diǎn)的可靠性愈來愈受到重視。 SnAgCux（ x=Pr， Nd）無鉛釬料體 系熔煉以及 SnAgCux/Cu焊點(diǎn)的制備 研究再流焊條件下，釬料 /Cu焊點(diǎn)內(nèi)部化合物（ AgSn、 CuSn以及 xSn化合物）的組織形貌。 Zhao[52]等人研究還發(fā)現(xiàn)微量 Ce的加入明顯改變了焊點(diǎn)拉伸斷口形貌， 改變斷口處韌窩的形貌以及分布 ,添加量為 %時(shí)，斷口呈現(xiàn)純韌窩狀斷口，主要原因就是 Ce的加入可以細(xì)化、均勻基體組織，可以明顯提高焊點(diǎn)的蠕變斷裂壽命。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 10 圖 Bi 對(duì)高溫時(shí)效 SnAgCu 合金抗拉強(qiáng)度的影響 SnAgCux 釬料 /Cu 界面反應(yīng) 熔融的釬料在基板上潤濕、反應(yīng)，形成適當(dāng)厚度的界面化合物層是形成可靠連接接頭的必要條件，焊點(diǎn)界面層的過分生長，會(huì)由于生成過厚的 Cu6Sn5層以及脆性 Cu3Sn層而降低焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度，同時(shí)作為 Cu供給源的的 CuCu3Sn界面也會(huì)因 Cu的過度消耗而可能出現(xiàn) Kirkendall孔洞，對(duì)焊點(diǎn)可靠性造成不利的影響。 Dudek[38]等人研究發(fā)現(xiàn)稀土元素 La的加入對(duì) ，表明加入量為 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 9 %時(shí)，生成均勻、細(xì)小的 La3Sn相，為釬料凝固過程中提供更多的非均質(zhì)成核質(zhì)點(diǎn)，有效細(xì)化釬料組織，也有研究發(fā)現(xiàn)稀土元素 Ce[39]、 Er[41]以及 Y[24]也有類似的作用效果。也有不少研究人員研究了混合稀土對(duì) SnAgCu釬料潤濕性能的影響，文獻(xiàn) [31, 32]研究發(fā)現(xiàn)混合稀土對(duì)釬料潤濕性的改進(jìn)作用也非常明顯，圖 SnAgCu 釬料潤濕時(shí)間以及潤濕角的影響，表明混合稀土的添加量為 %時(shí)，釬料的潤濕性能最優(yōu)。 SnAgCu系無鉛釬料雖然各方面的綜合性能比較優(yōu)異，但潤濕性能相對(duì)傳統(tǒng)的 SnPb釬料還存在一定的差距，仍有一定的改善空間，當(dāng)前主要采用的方法就是通過加入第四元素的方法來改善其潤濕性能，目前已有的研究結(jié)果多集中在通過第四組元的加入影響液態(tài)釬料的表面張力從而改變釬料的潤濕角，最終對(duì)釬料的潤濕性 能產(chǎn)生一定的影響。對(duì)四種材料熔化溫度測量，實(shí)驗(yàn)過程中升降溫速率為 2℃ /min，有效試驗(yàn)溫度范圍為 180～ 250℃ ，試驗(yàn)結(jié)果見表 [23]： 表 SAC305 系釬料合金的熔化溫度 合金 SAC305 SAC305Ni SAC305P SAC305Ce 液相線 固相線 糊狀區(qū)間 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 5 從試驗(yàn)結(jié)果可知，添加微量的 Ni、 P或 Ce元素后，釬料合金的固相線溫度與不添加微量元素的溫度接近，變化在 ℃ 之內(nèi)；而液相線溫度為 177。在目前開發(fā)出的無鉛合金體系中， SnAgCu系釬料由于具有相對(duì)較低的熔點(diǎn)、優(yōu)良的物理力學(xué)性能以及良好的可焊性，且高溫抗蠕變性能優(yōu)異，成為最具有潛力替代 SnPb釬料的首選合金 [1618]。 三元系無鉛釬料 在二元合金釬料的基礎(chǔ)上，材料工作者們開發(fā)了 一系列 多元合金系釬料，常見的有 ：SnAgCu系、 SnAgBi系、 SnAgCuSb系、 SnAgBiCu系、 SnZnIn系、 SnBiAg系等。 (3)SnIn 系 SnIn系用于要求釬料熔點(diǎn)低的場合， 熔點(diǎn)在 120℃ 左右， In的價(jià)格較為昂貴，制約 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 3 了發(fā)展。各無鉛釬料的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方法如表 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 2 示。 98年歐盟規(guī)定從 20xx年就正式開始禁止使用含鉛電子釬料。鉛是一種有毒元素，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，研制無鉛釬料已經(jīng)成為釬料行業(yè)的大勢所趨 [3]。含 Pr、 Nd的焊點(diǎn)界面層厚度 略微低 于不含 Pr、 Nd的焊點(diǎn)界面，說明 Pr、 Nd能夠抑制再流焊中釬料與 Cu基板的過度反應(yīng)。 編號(hào) 南京航空航天大學(xué) 畢業(yè)論文 題 目 SnAgCux（ x=Pr、 Nd） /Cu 焊點(diǎn)內(nèi)部化合物生長行為研究 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 學(xué) 院 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) 材料科學(xué)與工程 班 級(jí) 指導(dǎo)教師 南京航空航天大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信承諾書 本 人 鄭 重 聲 明 ： 所 呈 交 的 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ）（ 題目： ）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。 對(duì) SnAgCu與 SnAgCuxPr、 SnAgCuxNd釬料 /Cu焊點(diǎn)界面組織進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn) Pr、 Nd的加入能夠細(xì)化釬料基體組織并改變共晶組織形貌。在初期，經(jīng)常使用錫鉛釬料用于電子元器件的封裝和印刷電路板級(jí)組裝 [1, 2]。 80年代初，美國就立法禁止含鉛管道在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。在無鉛釬料中， SnAg系、 SnCu系及 SnZn系被認(rèn)為是最具適用性和發(fā)展前途的合金系，其中 SnAg系綜合性能最好，但存在成本偏高、對(duì)元件和設(shè)備耐熱性要求高等問題 [69]。 SnBi系與 SnPb鍍層結(jié)合效果不好，而且 Bi元素資源不足 [12]。當(dāng) Ag的含量大于 %時(shí)，會(huì)形成粗大的 Ag3Sn降低焊點(diǎn)的可靠性；界面會(huì)形成 Cu3Sn5和 Cu6Sn5，在靠近釬料的一側(cè)形成許多突起，產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋源，降低 SnAg系釬料的機(jī)械性能 [13]。擁有較好的綜合機(jī)械性能和可靠的焊點(diǎn)。將加熱曲線的起始溫度作為固相線溫度，吸熱曲線的峰值為液相線溫度。 微量元素 x 對(duì) SnAgCu 釬料潤濕性能的影響 釬料對(duì)母材具有良好的潤濕性能是獲得良好釬焊接頭的必要條件，可以通過潤濕角、潤濕力、潤濕時(shí)間以及潤濕面積等指標(biāo)來評(píng)價(jià)釬料的潤濕性能。文獻(xiàn) [30]研究發(fā)現(xiàn)重稀土 Y的加入也有相似的效果，添加的最佳含量為 .%左右。 Li[37]等人 研究發(fā)現(xiàn)加入微量稀土元素的 SnAgCuRE系合金的微觀組織大致相組成與原始 SnAgCu組織類似，但發(fā)現(xiàn)稀土元素的含量對(duì)共晶相的形貌存在一定的影響，當(dāng)稀土含量為 %時(shí)，棒狀共晶相占主導(dǎo)，含量 %或 %時(shí)層狀共晶相占主導(dǎo)， 釬料共晶組織的形貌對(duì)釬料的蠕變性能有直接的影響，棒狀共晶相能夠阻礙裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而提高釬料的蠕變斷裂壽命，同時(shí) 稀土 具有一定的―親錫 ‖作用，在釬料合金的凝固過程中，易于在金屬間化合物與 Sn基體的界面處聚集，降低金屬間化合物粒子的表面張力，細(xì)化組織，凝固過 程中 細(xì)顆粒的金屬間化合物彌散分布阻礙了初晶 βSn的長大 ， 最終使得釬料組織得到了有效的細(xì)化晶粒。 (f) 圖 焊料微觀組織 Zhao[42]等人對(duì)添加微量 Bi的 SnAgCu釬料力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明一定含量（ 3%以下） Bi的添加由于產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果，顯著提高 ，并有利于釬料在高溫時(shí)效過程中力學(xué)性能的保持，見圖 ，其主要原因是由于 Bi的添加降低了高溫時(shí)效過程金屬間化合物的生長速度， Rizvi等人 [43]對(duì)此進(jìn)行了定量分析研究表明時(shí)效過程中金屬間化合物的生長遵循擴(kuò)散機(jī)制， 1 wt% Bi的加入有效降低了金屬間化合物的生長速率，使 10?17m2/s降低至 10 ?17 m2/s。 Liang[39]等人研究了不同含量的 Ce對(duì) ，研究發(fā)現(xiàn)高溫時(shí)效過程中 Ce聚集于 Sn與金屬間化合物界面，阻礙了金屬間化合物的過度生長，增加焊點(diǎn)的熱穩(wěn)定性，提高焊點(diǎn)的抗跌落能力，熱循環(huán)前，添加 %Ce焊點(diǎn)跌落可靠性最高；熱循環(huán)后 添加 %Ce抗跌落可靠性能最優(yōu) 。本論文主要研究重點(diǎn)如下： 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解不同含量、不同種類稀土元素對(duì) SnAgCu無鉛釬料性能影響，預(yù)計(jì)稀土 Pr和 Nd的可行添加含量，對(duì) SnAgCux無鉛釬料進(jìn)行合理的成分設(shè)計(jì)。 表 試驗(yàn)釬料合金成分組成（質(zhì)量 分?jǐn)?shù) %） 序號(hào) 1 2 3 4 5 Pr 的含量 0 0 0 Nd 的含量 0 0 0 原始合金 焊點(diǎn)的制備及力學(xué)性能試驗(yàn) 在表面組裝技術(shù)中，焊點(diǎn)同時(shí)起到機(jī)械連接和電氣連接的作用，隨著印刷電路板、電子元器件的微型化以及組裝的 高密度 化，焊點(diǎn)間的間距越來越小，而承受的應(yīng)力和電流卻有增大的趨勢，在如此艱苦的服役條件下工作，必然要求焊點(diǎn)具備更可靠的性能。 電阻焊點(diǎn)剪切力的測試分析： 片式電阻焊點(diǎn)的剪切試驗(yàn)按