【正文】 共晶 SnPb釬料合金被廣泛應(yīng)用的主要原因之一；而在糊狀區(qū)的任一溫度下，固液相并存，釬料呈現(xiàn)半固體狀態(tài)，流動性變差?，F(xiàn)有的研究主要通過加入非稀土微量元素（ Mg, Fe, Ni, Co, Mn, Ti, Cr, Zn, Ge, Bi, Sb, Mg等），稀土微量元素 ( Ce, La, Y, Er, Nd,Pr等 )來改善 SnAgCu釬料的一些性能，研究發(fā)現(xiàn) SnAgCu合金中加入適量的微量元素在對釬料體系熔點影響微小的情況下可以改善釬料的潤濕性能、力學(xué)性能等，抗蠕變能力也有明顯的提高。 (3)SnAgCu 系 SnAgCu系組織中白色基體為 βSn，黑色粒子為 Ag3Sn和 Cu5Sn6。 Cu在焊接過程中向釬料鍋擴(kuò)散，導(dǎo)致焊點機(jī)械性能降低，生產(chǎn)成本升高。添加稀土元素可細(xì)化釬料組織同時也能提高釬料的潤濕性； SnZn系抗氧化性差，需要氮氣保護(hù) [10. 11]。在立法及落實上，西方發(fā)達(dá)國家大都走在中國前面，以犧牲環(huán)境和國民健康換來的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，逐漸被各國否定，走可持續(xù)發(fā)展道路，已經(jīng)成為世 界共識。而且每 100毫升的血液中如果含鉛超過 50毫克，就會引發(fā)頭痛、惡心、視力障礙等癥狀，嚴(yán)重的情況下，會使人智力減退，甚至死亡。稀土元素 Pr、 Nd的添加可以抑制塊狀 Cu6Sn5相的生成，細(xì)化 Cu6Sn5相，同時消除界面處 Ag3Sn相板條體的產(chǎn)生。本論文以目前廣泛應(yīng)用的，并分別以稀土元素 Pr、 Nd作為合金化元素，對其再流焊 及時效過程中焊點形貌和力學(xué)性能的變化 進(jìn)行 研究。含 Pr、 Nd的焊點界面層厚度 略微低 于不含 Pr、 Nd的焊點界面，說明 Pr、 Nd能夠抑制再流焊中釬料與 Cu基板的過度反應(yīng)。鉛是一種有毒元素，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，研制無鉛釬料已經(jīng)成為釬料行業(yè)的大勢所趨 [3]。 98年歐盟規(guī)定從 2022年就正式開始禁止使用含鉛電子釬料。各無鉛釬料的優(yōu)缺點及改進(jìn)方法如表 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 2 示。 (3)SnIn 系 SnIn系用于要求釬料熔點低的場合， 熔點在 120℃ 左右， In的價格較為昂貴，制約 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 3 了發(fā)展。 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。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較低的熔點、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]。對四種材料熔化溫度測量，實驗過程中升降溫速率為 2℃ /min，有效試驗溫度范圍為 180～ 250℃ ，試驗結(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（論文）報告紙 5 從試驗結(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。 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，最終對釬料的潤濕性能產(chǎn)生一定的影響。也有不少研究人員研究了混合稀土對 SnAgCu釬料潤濕性能的影響，文獻(xiàn) [31, 32]研究發(fā)現(xiàn)混合稀土對釬料潤濕性的改進(jìn)作用也非常明顯，圖 SnAgCu 釬料潤濕時間以及潤濕角的影響，表明混合稀土的添加量為 %時，釬料的潤濕性能最優(yōu)。 Dudek[38]等人研究發(fā)現(xiàn)稀土元素 La的加入對 ，表明加入量為 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 9 %時，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，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。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 10 圖 Bi 對高溫時效 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，焊點界面層的過分生長，會由于生成過厚的 Cu6Sn5層以及脆性 Cu3Sn層而降低焊點的連接強(qiáng)度，同時作為 Cu供給源的的 CuCu3Sn界面也會因 Cu的過度消耗而可能出現(xiàn) Kirkendall孔洞，對焊點可靠性造成不利的影響。 Zhao[52]等人研究還發(fā)現(xiàn)微量 Ce的加入明顯改變了焊點拉伸斷口形貌， 改變斷口處韌窩的形貌以及分布 ,添加量為 %時，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 焊點的蠕變斷裂壽命。 SnAgCux（ x=Pr， Nd）無鉛釬料體系熔煉以及 SnAgCux/Cu焊點的制備 研究再流焊條件下，釬料 /Cu焊點內(nèi)部化合物（ AgSn、 CuSn以及 xSn化合物）的組織形貌。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，必然會對焊點可靠性帶來新的問題，因此無鉛焊點的可靠性愈來愈受到重視。圖 ，測試時推刀與電阻作用產(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，整個剪切試驗過程在室溫下完成，推刀移動速度為 10mm/min，進(jìn)行多次試驗取平均值。 釬料 /Cu 高溫時效試驗 焊點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)使得焊點發(fā)熱，較高的溫度加速了焊點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隨時間而逐漸增厚，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，最終造成焊點失效，一個焊點的失效都有可能造成整個產(chǎn)品故障。 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]。由于組成焊點的不同相之間的熱膨脹不匹配，使焊點在服役過程中會經(jīng)歷周期性的應(yīng)變，形變量足夠大時會引起焊點中萌生微裂紋乃至斷裂。比較普通 SnAgCu釬料和含 Pr的 SnAgCu釬料可知， Pr可以有效降低焊點剪切力在時效過 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 20 程中的下降幅度，同時隨著 Pr含量的增加，這種效果 增強(qiáng)。隨著時間的推移，晶粒長大也是不可避免的。 在時效過程中，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。這種板條狀 Ag3Sn相的存在會對焊點性能帶來不利的影響。 (a)SAC 0 小時 (b) 0 小時 (c) 0 小時 (d) SAC 240 小時 (e) 240 小時 (f) 240 小時 (g) SAC 480 小時 (h) 480 小時 (i) 480 小時 圖 SACxPr/Cu 焊點時效界面形貌 圖 EDS 成分分析圖 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 25 圖 EDS 成分分析圖 稀土 Nd 對界面化合物生長的影響 稀土元素 Nd對界面金屬間化合物層的影響與稀土元素 Pr類似，從圖 ，比較相同時效時間的 5號試樣，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。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 26 (a)SAC 0 小時 (b) 0 小時 (c) 0 小時 (d) SAC 240 小時 (e) 240 小時 (f) 240 小時 (g) SAC 480 小時 (h) 480 小時 (i) 480 小時 圖 SACxNd/Cu 焊點時效界面形貌 圖 富稀土相成分分析圖 Cu6Sn5 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 27 第四章釬料 /Cu 焊點內(nèi)部化合物生長 時效過程中 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。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 28 (a) (b) (c) 圖 SAC/Cu 焊點不同時效時間的 Ag3Sn 形貌 (a) 0h, (b) 120h, (c) 240h 稀土 Pr、 Nd 對化合物生長的影響 如圖 (b)、 (d)所示， 添加 Pr和 Nd后 的 稀土 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（論文）報告紙 29 (a)SAC (b) (c) (d) (e) 圖 0 小時時效下焊點組織形貌 (a) SAC (b) (c) 圖 360 小時時效條件下，焊點化合物 銅錫相 生長形貌 (a)SAC (b) (c) 圖 360 小時時效條件下，焊點化合物銀錫相生長形貌 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 30 第五章結(jié)論 時效后微焊點力學(xué)性能變化 添加微量稀土元素 Pr或 Nd，均可提高焊點剪切強(qiáng)度。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 31 參考文獻(xiàn) [1] 中國電子學(xué)會生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會叢書編委會組編 .微電子封裝技術(shù) [M].合肥 :中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 ,2022. 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