【正文】 繪成折現(xiàn)圖如圖 所示： 圖 合金 試樣顯微硬度分布 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 23 表 為實(shí)驗(yàn)所測合金焊料的硬度值，圖 為合金試樣顯微硬度分布圖 。結(jié)合 已有的 XRD 分析， 可知 合金焊料的物相和成分 為 ：先共晶山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 22 相 βSn， SnCu 共晶組織（ Cu6Sn5/Sn），還 有 少量（ ） 6Sn5組織。因?yàn)?Ni 元素含量太少（ 01.%），合金熔煉時(shí) 試樣袋和坩堝粘有一部分，也可能是因?yàn)?混合并不均勻， Ni 固溶于基體中 ， 但沒檢測到未檢測出來， 所以在能譜圖中未顯示出來。 電子探針成分分析 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 21 圖 形貌 圖 合金能譜 圖 和圖 是合金上選取的一點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)分析的顯微組織 形貌圖 和能譜 圖。 由于 Cu6Sn5不是很穩(wěn)定 ， 共晶組織（ Cu6Sn5/Sn）在 100℃ 保持?jǐn)?shù)十小時(shí)就會消失 ,轉(zhuǎn)變成 為分 散 的 Cu6Sn5 顆粒粗大組織。 多余的 Ni 在 Sn 基體上開始200?m 200?mm 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 20 程 細(xì)小顆粒狀富 Ni 相析出，但由于 Ni 含 量較少，所以 Ni 相為很小的顆粒，在圖中觀察不出來。 圖 （ e）和圖 （ f）分別為 和 的 金 相顯微組織 圖。 圖 （ c） 和（ d）分別 是 和 合金的金相 顯微 組織 圖。添加了 Ni 元素后，合金組織形貌發(fā)生了顯著變化， 隨著 （ ） 6Sn5的產(chǎn)生，抑制了 Cu6Sn5的龜裂，使得 共 晶組織 (Cu6Sn5/Sn)增加，而且組織形貌更加均勻 。由圖 （ a）可以看出典型的 合金的先共晶 βSn相和 SnCu 共晶組織 (Cu6Sn5/Sn)， 結(jié)合 XRD 物相分析和電子探針形貌觀察和成分分析可知，明亮組織為共晶組織 (Cu6Sn5/Sn)，較暗的為 先共晶 βSn 組織 。 差示掃描量熱儀 測量的是與材料內(nèi)部熱轉(zhuǎn)變相關(guān)的溫度、熱流的關(guān)系，應(yīng)用范圍非常廣，特別是材料的研發(fā)、性能檢測與質(zhì)量控制 ，我們主要用以測量合金試樣的熔 化特性。 （二）、 DSC 熔化特性測試 差示掃描量熱法 (DSC)是在程序控制溫度下，測量輸給物質(zhì)和參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。 第十五步：當(dāng) LCD 屏顯示測量次數(shù) N≥ 1 時(shí)，可按 [SPECI]、 [PRI]打印鍵，測試結(jié)果從打印機(jī)中打印輸出，第一次試驗(yàn)結(jié)果 (N=O)不予打印。注 : 壓痕會由于樣品的表面粗糙不平或平整度差異或多或少地發(fā)生變形，所以測量對角線應(yīng)在兩個(gè)垂直方向上進(jìn)行，取其算術(shù)平均值 第十四步：本次測量完成后，才能進(jìn)行下一次試驗(yàn)。按上述要求，再次山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)與過程 16 測定另一對角線長度。當(dāng)刻線對準(zhǔn)壓痕對角線無誤時(shí)，就按下測微目鏡下方的按鈕輸入，并在顯示屏的 D1 后顯示。當(dāng)兩刻線邊緣相近時(shí)，透光縫隙逐漸減少，當(dāng)兩刻線間處于無光隙的臨界狀態(tài)時(shí)，按下 [CL]鍵清零。 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)就可在測微目鏡中測量對角線長度。 第九步：試驗(yàn)力保持階段時(shí)，延時(shí) [DWELL]LED 亮，此時(shí) LCD 屏上 T按所選擇時(shí)間倒計(jì)數(shù)，延時(shí)時(shí)間到，試驗(yàn)力卸除，卸試驗(yàn)力(UNLOADING)LED 亮。當(dāng)測量不規(guī)則的試樣時(shí)要小心，防止壓 頭碰及試樣，損壞壓頭。當(dāng)轉(zhuǎn)換 10X 和 40X 物鏡時(shí)聚焦面有微量變化，可微調(diào)升降絲桿進(jìn)行聚焦。如果視場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)試樣離物鏡下端 2～ 3mm 時(shí)，在目鏡的視場中心出現(xiàn)明亮光斑，說明聚焦面即將來到，此時(shí)應(yīng)緩慢微量上升，直至在目鏡中觀察到試塊或試樣表面的清晰成像，這時(shí)聚焦過程完成。 第四步：將標(biāo)準(zhǔn)試塊或試樣安放在試臺上，轉(zhuǎn)動(dòng)旋輪使試臺上升。 第二步：打開電源開關(guān)，指示燈及光源燈亮， LCD 屏上顯示此時(shí)試驗(yàn)力變換手輪所指示的試驗(yàn)力。 顯微硬度、熔化特性分析 （一）、 LCD 顯微硬度測試 對合金試樣進(jìn)行顯微硬度測試，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。 電子探針有三種基本工作方式：點(diǎn)分析用于選定點(diǎn)的全譜定性分析或定量分析，以及對其中所含元素進(jìn)行定量分析；線分析用于顯示元素沿選定直線方向上的濃度變化；面分析用于觀察元素在選定微區(qū)內(nèi)濃度分布 。 （三）、電子探針成分分析 通過電子探針分析試樣顯微組織對應(yīng)的元素成分。 圖 圖為布拉格衍射示意圖。 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 。 （二）、 XRD 物相分析 對試樣進(jìn)行 XRD 衍射分析以 獲得晶體點(diǎn)陣類型，點(diǎn)陣常數(shù)，晶體取向及應(yīng)力等一系列有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的信息。對 試樣分別拍攝金相照片， 5， 10，20， 50 四 個(gè)倍數(shù)。化學(xué)腐蝕的原理 ：利用試劑對金屬試樣中各相或組織的浸蝕速度或著色能力山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)與過程 13 的不同，在拋光面上呈現(xiàn)出高低不平 的谷峰及色澤的差異，在可見光的垂直照射下，對光線的吸收和反射不同，從而顯示出各種明暗不同的組織來。 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)。 打磨試樣時(shí)，由于試樣材料較軟，應(yīng)盡量輕，注意力度的把握，依次使用 6001200 的水砂紙，逐步打磨光滑使得劃痕盡量最少。 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。 第二步：在鋼模套腔內(nèi)加入填料，放入上模，合上蓋板，旋緊八角旋鈕，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使下模上升到壓力指示燈亮，恒溫一定時(shí)間，使試樣成型。先用粗砂紙將要觀察的面粗略磨平，用 XQ1 型號鑲嵌機(jī)鑲嵌試樣。 合金金相試樣的制備 將冷卻完全的金屬從坩堝中取出，清洗掉金屬表面的鹽。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。待熔鹽全部融化后，取出坩堝，將混合好的金屬 藥品 加入，這樣合金一開始就處于熔鹽的保護(hù)下，防止氧化燒損。由于 Ni粉和 Cu片的量較少，所以熔煉的溫度選擇為 1000℃。 合金試樣的熔煉 根據(jù)合金元素的熔點(diǎn)選擇熔煉溫度。用電子天平分別稱量六組試樣。 實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn) 所選用的實(shí)驗(yàn)儀器如下所示： （ 1）電子數(shù)顯天平（最小刻度為 克） （ 2） 陶瓷坩堝 （ 3） 箱式電阻爐 (型號 SX310，功率 3Kw，爐膛尺寸 215150100mm，最高溫度 1000℃ ) （ 4） 金相試樣鑲嵌機(jī) (型號 XQ1,加熱器： 220v,650w) （ 5） 金相拋光機(jī)（ GPV－ 1 變頻調(diào)速拋光機(jī)，額定電壓 220V，功率山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)與過程 11 180W） （ 6） XJL01 立式金相顯微鏡 (230V~ 50/60HZ) （ 7） 顯微硬度計(jì)（ FM700/SVDM4R 型數(shù)顯顯微硬度計(jì)，上海材料試驗(yàn)機(jī)廠制造） （ 8）差式掃描量熱儀（型號 DSC1，溫度范圍： 150700℃ ） （ 9） X 射線衍射儀（型號 D/Max2500PC） （ 10） 電子探針（型號 JXA8230) 實(shí)驗(yàn)步驟 合金成分的確定與藥品的稱量配比 依照設(shè)計(jì)， Ni 元素的添加量分別為 0%、 %、 %、 %、 %、1%， Cu 的含量為 %，其余為 Sn。用電子天平分別稱量六組試樣 置于試樣袋中并標(biāo)號 。 Ni元素的 添加量分別為 0%、 %、 %、 %、%、 1%， Cu的含量為 %，其余為 Sn。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的六組配比方案如表 。通過金相顯微鏡觀察，顯微硬度測試， 差示掃描量熱儀測量 、 XRD 和電子探針分析，通過實(shí)驗(yàn)對比，了解各種成分配比下的合金焊料性能，分析 Ni 元素的添加對 SnCu 無鉛焊料性能的影響，并得出性能最優(yōu)良的成分配比焊料。通過分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果探究不同 Ni 元素的添加對 SnCu 系無鉛焊料顯微組 織、硬度、熔化特性等的影響。在 焊料合金中添加不同含量的 Ni 元素，探索 Ni元素對焊料力學(xué)性能、組織形貌、熔點(diǎn)、焊接性能等的影響，在改善焊料性能上 Ni 元素所起到的作用。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]。 添加 Ni 元素對 SnCu 系無鉛焊料性能的影響 SnCu系無鉛焊料中添加微量的 Ni 可以成功的抑制 SnCu系無鉛焊料與 Cu 基板的接合界面上形成的 Cu6Sn5 金屬間化合物中的龜裂。另外 ， Cu6Sn5金屬間化合物的熱穩(wěn)定性相對較差 ， 極易發(fā)生粗化，因而 SnCu焊料的強(qiáng)度和塑性都相對較低，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。 SnCu系無鉛焊料存在的問題及其解決方案 SnCu 系無鉛釬料在應(yīng)用中還存在一些問題：由于 SnCu 釬料流動(dòng)性不夠，熔融釬料不能充分填充焊點(diǎn)間隙從而產(chǎn)生焊點(diǎn)橋連，導(dǎo)致短路； SnCu 合金在波峰焊時(shí)容易發(fā)生氧化，產(chǎn)生浮渣，造成釬料的浪費(fèi)，還增加 焊點(diǎn)形成缺陷的幾率，影響焊點(diǎn)的可靠性。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。 SnCu系無鉛焊料的優(yōu)點(diǎn) 目前 SnCu 系無鉛焊料主要應(yīng)用于波峰焊技術(shù)中，與傳統(tǒng)錫鉛焊料相比有如下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 無毒無害，易生產(chǎn)，易回收。 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。 (3) 有良好的力學(xué)性能。焊料焊接形成的焊點(diǎn) , 一個(gè)主要的作用是傳輸電信號。合金的熔點(diǎn)是決定焊接溫度的最根本參數(shù) , 根據(jù)目前的焊接工藝、設(shè)備等要求 , 無鉛焊料的熔點(diǎn)應(yīng)接近傳統(tǒng)的 Sn63Pb37 焊料。 系無鉛焊料的優(yōu)缺點(diǎn)分析 無鉛焊料對性能的要求 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。 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，而且還會有 Cu3Sn 化合物生成， Cu3Sn 會脆化焊點(diǎn)界面，惡化焊點(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然而，在再流焊中，潤濕性能將下降 ， 焊片表面將呈現(xiàn)粗超和織構(gòu)，流體沉積呈深棕色，所以目前 SnCu系焊料多使用于波峰焊中。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 。Taguchi 等人是以 01251 循環(huán) /h 的頻率 ， 在 65~155e 進(jìn)行 SnCu/(Cu,Ni)焊點(diǎn)的熱疲勞循環(huán)試驗(yàn) ， 發(fā)現(xiàn)隨著熱循環(huán)頻率的增大 ， 焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度逐漸下降 。 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 Cu， Ni 基材與 SnCu 焊料連接后的焊點(diǎn)分別進(jìn)行了疲勞測試，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)