【正文】 最后還要感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中所有幫助過(guò)我的老師和同學(xué)，我在此向他們表示由衷的謝意與感激。特別是皋利利師姐在本科畢設(shè)過(guò)程中給了我很大的幫助。在此，我誠(chéng)摯地感謝他們。值此論文完成之際，謹(jǐn)向馮老師致以最誠(chéng)摯的敬意和最衷心的感謝。她知識(shí)淵博，思路開(kāi)闊，她創(chuàng)造性的思維方式，敏銳的洞察力和富有啟發(fā)性的指導(dǎo)，使作者受益良多。從論文的選題、實(shí)驗(yàn)方案的制定到論文的撰寫(xiě)，無(wú)不浸透著馮老師的智慧和心血。稀土Pr、Nd對(duì)化合物生長(zhǎng)的影響稀土元素Pr、Nd對(duì)化合物的生長(zhǎng)具有抑制作用，適量的稀土元素還可以細(xì)化組織，提高性能，但過(guò)量的稀土元素會(huì)粗化組織，生成富稀土相，大大降低材料的性能。時(shí)效過(guò)程中Cu6Sn5化合物顆粒的生長(zhǎng)Cu6Sn5化合物顆粒在時(shí)效過(guò)程中是聚集長(zhǎng)大，融合成更大的塊狀整體。稀土Pr、Nd對(duì)界面化合物生長(zhǎng)的影響稀土元素Pr、Nd的添加，可以抑制界面化合物的生長(zhǎng)，細(xì)化界面附近的基體組織。時(shí)效過(guò)程中，焊點(diǎn)剪切力逐漸降低，但加入Pr或Nd后，可抑制焊點(diǎn)剪切力的下降幅度。添加少量的稀土元素容易與Sn發(fā)生反應(yīng)生成細(xì)小分布的稀土相化合物可以為釬料凝固提供非均勻形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化釬料組織，從而提高焊點(diǎn)力學(xué)性能；當(dāng)稀土元素的添加量過(guò)多時(shí)（超過(guò)包晶點(diǎn)成分），容易生成粗大塊狀SnX（Pr、Nd）初晶，這種硬脆相的存在會(huì)惡化釬料的性能。時(shí)效過(guò)程中，稀土元素Pr、Nd也消除了界面處析出的板條狀銀錫化合物。%時(shí)，釬料組織中出現(xiàn)黑色SnX（Pr、Nd）金屬間化合物，組織也發(fā)生了一定程度的粗化，黑色稀土相的存在會(huì)惡化釬料的性能。同時(shí)可以觀(guān)察到，隨著Pr、Nd含量的增加，βSn枝晶逐漸細(xì)化，分形加劇。同時(shí)，改異常析出的板條狀A(yù)g3Sn會(huì)在時(shí)效過(guò)程中，隨著界面的生長(zhǎng)，逐漸脫離界面，(b)、(c)。大部分Ag3Sn相，以點(diǎn)狀形式存在于黑色共晶組織中。大小不一的塊狀Cu6Sn5相聚集在一起，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，彼此不斷融合，形成一個(gè)大塊狀整體。其金屬間化合物主要由棒狀Cu6Sn5初晶以及板狀A(yù)g3Sn初晶組成，這種粗大板狀A(yù)g3Sn初晶的存在會(huì)對(duì)焊點(diǎn)性能產(chǎn)生不良的影響。因此，銅基基板與液態(tài)焊料反應(yīng)時(shí)間減少，得到了較薄的金屬間化合物層。由于SnNd化合物的形成在Cu6Sn5/焊料界面間的Sn活性降低，隨后減小了在焊接過(guò)程中Cu6Sn5的增長(zhǎng)。金屬間化合物形成的動(dòng)力由其組元成分的活性決定，對(duì)Cu6Sn5金屬間化合物來(lái)說(shuō)，其吉布斯自由能ΔG，由焊點(diǎn)中Sn元素的活性決定： (31) 其中，R是通用氣體常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，α是Sn的活性。而如果對(duì)比5好試樣隨著時(shí)效時(shí)間變化，其IMC層厚度的變化狀況，可以得出隨著時(shí)效的進(jìn)行，IMC層厚度雖然不斷增加，但總體比1號(hào)試樣時(shí)效過(guò)程中的IMC層厚度薄，說(shuō)明稀土元素Nd可有效抑制界面處金屬間化合物層在時(shí)效過(guò)程中的生張。添加少量的稀土元素Pr容易與Sn發(fā)生反應(yīng)生成細(xì)小分布的PrSn化合物可以為釬料凝固提供非均勻形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化釬料組織，從而提高焊點(diǎn)力學(xué)性能；當(dāng)Pr的添加量過(guò)多時(shí)（超過(guò)包晶點(diǎn)成分），容易生成粗大塊狀PrSn初晶，這種硬脆相的存在會(huì)惡化釬料的性能。%的釬料焊點(diǎn)力學(xué)性能相比普通SnAgCu釬料略差。由此看出，在時(shí)效過(guò)程中稀土元素可以較好的抑制界面處金屬間化合物層的生長(zhǎng)，最終改善焊點(diǎn)力學(xué)性能。，分別分析對(duì)比0、2480小時(shí)時(shí)效組中的3號(hào)試樣可知，在相同時(shí)效里，加入稀土元素Pr可以明顯抑制金屬間化合物層的厚度，%%Pr的試樣IMC層薄，抑制效果好。,（a）?；亓骱螅?jīng)過(guò)不同時(shí)效時(shí)間后(此處只選取0、2480小時(shí)時(shí)效，此時(shí)組織結(jié)構(gòu)變化較為明顯，其他兩組分別介于臨近兩組之間，組織是過(guò)渡階段)， （a）0小時(shí) (b) 120小時(shí) (c) 240小時(shí) (d) 360小時(shí) (e) 480小時(shí) SAC在150℃下不同失效時(shí)間界面比較、Nd對(duì)界面化合物生長(zhǎng)的影響 稀土Pr對(duì)界面化合物生長(zhǎng)的影響釬焊中，釬料與潤(rùn)濕基板間形成的金屬間化合物層的結(jié)構(gòu)對(duì)焊點(diǎn)的力學(xué)性能有重要的影響。、120小時(shí)、240小時(shí)、360小時(shí)、480小時(shí)后界面處所形成的金屬間化合物IMC形貌圖。因此延長(zhǎng)釬焊接頭服役壽命的關(guān)鍵是控制界面IMC在釬焊和時(shí)效過(guò)程中的生長(zhǎng)。適當(dāng)?shù)慕缑鍵MC可實(shí)現(xiàn)釬料和基板之間良好的冶金結(jié)合，同時(shí)獲得性能良好的焊點(diǎn)。焊接后要有一定的連接強(qiáng)度，必須生成金屬間結(jié)合層，金屬間化合物過(guò)薄，連接強(qiáng)度不夠，金屬間化合物太厚，同樣對(duì)焊點(diǎn)的性能不利。同時(shí)，隨著金屬原子向著低濃度方向的不斷擴(kuò)散，金屬化合物層的厚度通常會(huì)繼續(xù)增加，形狀也由波浪起伏向扁平均勻的方向發(fā)展，而過(guò)量的界面反應(yīng)還可能在界面組織中產(chǎn)生孔洞，這些都會(huì)連接強(qiáng)度產(chǎn)生影響。而且，即使在常溫下，以絕對(duì)溫度表達(dá)時(shí)也已是處于高溫區(qū)工作了，因此擴(kuò)散作用已經(jīng)很強(qiáng)了。此時(shí)的界面反應(yīng)速率不高，但考慮到電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命通常都在幾年甚至十幾年，其間伴有高達(dá)數(shù)十上百度的溫度循環(huán)，因此，發(fā)生在服役期間的界面反應(yīng)對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響仍然不容忽視。 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)SnAgCu0h120h240h360h480h平均0h120h240h360h480h　　　　　　　　　　平均0h120h240h360h480h平均0h120h240h360h480h平均0h120h240h360h480h平均 時(shí)效過(guò)程中試樣剪切力的變化焊點(diǎn)形成以后，金屬原子的擴(kuò)散依然存在，因此界面反應(yīng)也在繼續(xù)進(jìn)行，這使得服役期的焊點(diǎn)組織仍處于發(fā)展變化之中。剪切力雖下降但仍然大于普通SnAgCu釬料。從表中可以看出，5中組分隨著時(shí)效時(shí)間的增加，其各自的焊點(diǎn)剪切力逐漸下降。如果加入稀土元素Nd，同樣可以提高焊點(diǎn)的剪切力，效果與稀土元素Pr相似，但Nd的含量增加后，焊點(diǎn)的剪切力下降低于普通SnAgCu釬料，并低于相同含量Pr的SnAgCu釬料的焊點(diǎn)剪切力。每種試樣各做10次剪切試驗(yàn)，取其平均值。高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)是模擬電子產(chǎn)品在服役過(guò)程中焊點(diǎn)在熱存儲(chǔ)作用下失效行為的加速性試驗(yàn)方法。另一方面，在高溫下，金屬間化合物相的成分也有可能發(fā)生變化，這取決于在特定溫度下不同金屬間化合物的熱力學(xué)因素。在高溫存儲(chǔ)過(guò)程中，SnAgCu焊點(diǎn)的顯微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，主要包括界面處金屬間化合物Cu6Sn5的不斷生長(zhǎng)。作為一種焊接材料，他最終的用途是焊接部件，因此人們更關(guān)心的是焊點(diǎn)的強(qiáng)度而不是材料本身的力學(xué)性能，為了能夠更好的反應(yīng)電子產(chǎn)品中焊點(diǎn)的真實(shí)情況，對(duì)0805型片式陶瓷電阻進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，并對(duì)其微焊點(diǎn)釬焊后以后時(shí)效過(guò)程中的力學(xué)性能進(jìn)行表征。第三章微焊點(diǎn)力學(xué)性能及界面組織分析 時(shí)效后微焊點(diǎn)力學(xué)性能變化電子產(chǎn)品中的釬焊接頭，不僅起著電氣連接的作用，同時(shí)也起著將元器件固定在基板上的作用，焊點(diǎn)不僅要承受電子產(chǎn)品在生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中受到的機(jī)械撞擊、震動(dòng)的影響，而且在也要經(jīng)受不斷開(kāi)關(guān)機(jī)和環(huán)境溫度變化帶來(lái)的熱機(jī)械疲勞作用。此外，將鋪展試驗(yàn)所得試樣從橫截面截開(kāi)并鑲嵌，磨樣、拋光并觀(guān)察界面組織，通過(guò)XJP300型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察和拍照。 金相試樣的制備及微觀(guān)組織形貌觀(guān)察眾所周知，材料的各項(xiàng)性能不僅取決于材料的化學(xué)成分，還取決于其顯微組織，材料的成分、組織、性能三者是緊密聯(lián)系的，分析材料的顯微組織有助于更深入地揭示材料性能所發(fā)生的變化。本論文通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫存儲(chǔ)后研究焊點(diǎn)的力學(xué)性能及界面組織的演化來(lái)評(píng)價(jià)SnAgCu系無(wú)鉛釬料焊點(diǎn)的可靠性，另外，還考察了稀土元素Pr、Nd對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響規(guī)律。研究表明，電子器件的失效百分之八十以上與封裝和組裝的失效有關(guān)，而電子封裝與組裝的失效中，焊點(diǎn)的失效是主要原因。 (a) 剪切前 (b) 剪切后 電阻焊點(diǎn)剪切前后實(shí)物圖國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62137122007 《SurfaNd mounting technology Environmental and enduranNd test methods for surfaNd mount solder joint Part 12: Shear strength test》和日本JEITA標(biāo)準(zhǔn)JEITA ET7409/1022005 《貼裝元器件焊點(diǎn)橫向剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》規(guī)定，在對(duì)組裝后的無(wú)引腳型貼裝元器件的橫向側(cè)面加載橫向推力，使貼裝元件端子與印刷電路板焊盤(pán)發(fā)生剪切時(shí)的最大試驗(yàn)力，定義為元件焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度，故本研究中用元件的剪切力來(lái)評(píng)價(jià)元件焊點(diǎn)的結(jié)合程度，這已為業(yè)內(nèi)諸多試驗(yàn)研究采納。但是剪切夾具與基板不能接觸。配合使用顯微鏡以保證剪切夾具與元器件相應(yīng)位置的對(duì)準(zhǔn)。 片式電阻剪切試驗(yàn)示意圖試驗(yàn)步驟：(a) 試驗(yàn)采用加壓剪切方法。電阻焊點(diǎn)剪切力的測(cè)試分析：片式電阻焊點(diǎn)的剪切試驗(yàn)按照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 31982003，《無(wú)鉛料試驗(yàn)方法第七部分：片式元件焊點(diǎn)的剪切試驗(yàn)方法》的規(guī)定，采用日本RHESCA公司的STR1000型微焊點(diǎn)強(qiáng)度測(cè)試儀來(lái)測(cè)試電阻的剪切力，能夠準(zhǔn)確、真實(shí)地反映焊點(diǎn)力學(xué)性能。STR1000測(cè)試儀的正常工作條件為：工作電壓為100V（50/60Hz）、溫度為15℃~30℃，相對(duì)濕度為40%~80%。主要由測(cè)定部主機(jī)、傳感器（剪切、抗拉）、剪切用刀具、拉力用針鉗、鉤針、雙眼實(shí)體顯微鏡、推力用工具、傾斜工作臺(tái)、拉力用夾具等部件構(gòu)成。 焊點(diǎn)力學(xué)性能的試驗(yàn)方法利用日本RHESCA公司的STR1000型微焊點(diǎn)強(qiáng)度測(cè)試儀（）測(cè)試分析電阻焊點(diǎn)的剪切力，能夠準(zhǔn)確、真實(shí)地測(cè)定電子產(chǎn)品中焊點(diǎn)的力學(xué)性能。 試驗(yàn)釬料合金成分組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）序號(hào)12345Pr的含量000Nd的含量000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(lái)越小，而承受的應(yīng)力和電流卻有增大的趨勢(shì)，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。首先按所需比例制備SnAgCu熔融釬料，加熱至900℃并通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，然后將稀土Pr、Nd分別壓入到熔融釬料中保溫4小時(shí)并每隔一小時(shí)攪拌一次以保證釬料成分的均勻性， 釬料合金。初步探討稀土元素Pr、Nd的存在對(duì)其再流焊以及時(shí)效過(guò)程中化合物生長(zhǎng)的作用機(jī)理。對(duì)添加不同含量、不同稀土元素、不同時(shí)效時(shí)間后焊點(diǎn)內(nèi)部力學(xué)性能的分析。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(lèi)稀土元素對(duì)SnAgCu無(wú)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(wú)鉛釬料進(jìn)行合理的成分設(shè)計(jì)?；旌舷⊥恋募尤胍灿蓄?lèi)似的作用效果，文獻(xiàn)[54] ，發(fā)現(xiàn)稀土有助于降低界面能，易于在晶界聚