【正文】 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。由于它的測試精度較高，工作場所或工作臺應(yīng)該具有防碰撞、防震動(dòng)的功能。它的主要工作原理是：測試時(shí)，鉤針（或推刀）與受試工件產(chǎn)生的力通過傳感器傳到 STR1000的主機(jī)內(nèi)，再通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)的軟件中，自動(dòng)繪制成曲線和輸出所需數(shù)據(jù)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 15 圖 STR1000 微焊點(diǎn)強(qiáng)度測試儀 STR1000是一臺專門針對表面組裝器件（ SMD）的微焊點(diǎn)（或引腳）強(qiáng)度試驗(yàn)、印制電路板耐久彎曲試驗(yàn)以及其它多種力學(xué)性能測試的試驗(yàn)儀器，通過變換試驗(yàn)平臺，可以測試?yán)?、推力、剝離、剪切等多種強(qiáng)度，配合數(shù)據(jù)軟件具有自動(dòng)計(jì)算、保存、分析的功能。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(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。熔煉好的釬料合金在金屬模中澆鑄成釬料條，然后通過壓片機(jī)制成 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 14 第二章試驗(yàn)材料及方法 釬料的制備 試驗(yàn)的原材料采用 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Sn、 Ag、 Cu 及稀土 Pr、 Nd。 研究添加不同含量、不同稀土元素、不同時(shí)效時(shí)間后對界面組織形態(tài)的影響。 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。 圖 稀土 La 對焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度以及破壞應(yīng)變的影響 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 13 圖 微量 Y 對 SnAgCu/Cu 界面化合物的影響 本論文研究的目的及內(nèi)容 ,前期的研究表明 ,稀土 Pr、 Nd的加入能夠明顯改善 SnAgCu釬料相比傳統(tǒng) SnPb釬料的不足之處，如潤濕性、組織 熱穩(wěn)定性 以及界面反應(yīng)過于劇烈等，但稀土元素對其焊點(diǎn)內(nèi)部化合物的影響規(guī)律仍需要進(jìn)一步的研究。 Hao等 人 研究發(fā)現(xiàn)微量 Y的加入能夠抑制時(shí)效過程中 ,再流焊與時(shí)效條件下其相比未加 Y的 SnAgCu釬料組織更為細(xì)小、均 勻，再流焊條件下金屬間化合物生長層見圖，作用機(jī)理與輕稀土類似。 除了加入輕稀土以外，還有研究人員研究了重稀土對 SnAgCu焊點(diǎn)性能的影響 ,主要的有稀土 Er以及稀土 Pr。 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。 (a) 150℃ 保溫 1000h (b)%Bi 150℃ 時(shí)效 1000h 圖 Bi 對 /Cu 界面形貌的影響 （ a） （ b） 圖 Zn 對釬料 /Cu 界面形貌的影響（ 175℃ 時(shí)效 20d） 稀土元素對焊點(diǎn)界面化合物的生長也有一定的抑制作用，原因是稀土元素具有較強(qiáng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 12 的親錫作用，降低與 Cu6Sn5界面處 Sn的活度，微量稀土的加入能夠有效阻礙 Cu6Sn5化合物的生長。 Li[49]等人研究發(fā)現(xiàn) Sb的加入 ,降低了時(shí)效過程中界面化合物的生長速度，同時(shí)由于產(chǎn)生固溶強(qiáng)化以及顆粒強(qiáng)化效應(yīng) ,可以提高焊點(diǎn)的極限抗拉強(qiáng)度，時(shí)效過程中極限抗拉強(qiáng)度的下降率明顯慢于未添加 Sb的釬料焊點(diǎn) ,Sb的最佳添加含量為 .%，但文獻(xiàn) [50]研究發(fā)現(xiàn) Sb的添加降低了其抵抗電遷移的性能，應(yīng)根據(jù)具體要求和使用環(huán)境綜合考慮 Sb的添加量。 Anderson[46]等研究了微量 Mn, Ni, Ge, Ti, Si, Cr和 Zn 對焊點(diǎn)的影響，研究發(fā)現(xiàn)除了 Ge以外，微量 Mn, Ni, Ti, Si, Cr和 Zn的加入阻礙了Sn、 Cu的擴(kuò)散從而抑制界面化合物 Cu3Sn的生長，其中 Mn、 Ni和 Co抑制 Cu3Sn生長的作用最為顯著，以上微量元素的加入還能后有效減少 Cu3Sn/Cu界面空洞的形成、聚集，對防止 SnAgCu/Cu界面弱化有一定的促進(jìn)作用，有利于焊點(diǎn)高溫時(shí)效過程中的強(qiáng)度的保持。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 10 圖 Bi 對高溫時(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界面也會因 Cu的過度消耗而可能出現(xiàn) Kirkendall孔洞，對焊點(diǎn)可靠性造成不利的影響。 (e)。 (c) 。 。 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(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。文獻(xiàn) [34, 35]研究發(fā)現(xiàn) 微量非稀土元素的加入一定程度上改變了釬料的微觀組織，見圖 [34]，微量元 Ti的加入能夠生成細(xì)小的沉淀化合物均勻分布于基體 組織中，對力學(xué)性能的提高有一定的促 進(jìn)作用 ；微量 Fe的加入對基體組織晶粒大小影響不大， EDX分析生成 FeSn2化合物不規(guī)則分布在網(wǎng)狀共晶相中；微量 Ni的加入能夠生成均勻、細(xì)小的 SnCuNi化合物，分布在 βSn基體以及共晶相中，促進(jìn)基體的強(qiáng)度； Co的加入在基體中形成細(xì)長、棒狀的 CoSn2相，降低釬料的延伸率，有可能成為拉伸過程中的斷裂源，但文獻(xiàn) [36]研究表明微量 Co的加入提供了更多的形核位置，促進(jìn)更多 Cu6Sn5晶粒 的 形成，細(xì)化 Cu6Sn5化合物，有助于緩解高溫時(shí)效過程中釬料力學(xué)性能的下降。C/min）的條件下制備的 貌，由于冷卻速度較慢，可以發(fā)現(xiàn) Ag3Sn相呈現(xiàn)明顯的板狀形貌。由于 SnAgCu系合金的非平衡凝固過 程，形成的典型微觀組織主要由 βSn相、 Cu6Sn5 和 Ag3Sn三相成，雖然已有研究表明增加 Ag的含量能夠提高釬料的力學(xué)性能，但如果銀含量過高，冷卻過程中容易生成粗大初晶 Ag3Sn相，成為拉伸時(shí)的裂紋源，降低釬料的性能，同時(shí)離共晶成分越遠(yuǎn)越容易產(chǎn)生凝固缺陷，必須綜合考慮。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(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)。重稀土 Er以及 Y也有類似的作用效果， Shi[29]等人研究了微量重稀土 Er 對 SnAgCu釬料潤濕性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入微量 Er 能夠顯著地改善，添加量 wt%以下，鋪展面積隨著 Er的增加而增加，具體影響規(guī)律見圖 , 添加量超過 %由于稀土氧化導(dǎo)致釬料潤濕性能下降。 除了通過加入微量非稀土元素來改善釬料的潤濕性能，很多學(xué)者還研究了稀土元素對釬料潤濕性能的影響，稀土元素為表面活性元素，可以在釬料表面富集，能夠顯著降低液態(tài)釬料的表面張力，改善釬料的潤濕性能，但由于稀土的活性其加入量過多容易氧化，阻礙釬料在基板上的潤濕，惡化釬料的潤濕性能，所以稀土的加入量必須嚴(yán)格控制。也有元素雖然可以有效降低釬料的熔點(diǎn)，但不利于釬料的潤濕性能，文獻(xiàn) [25] 發(fā)現(xiàn)微量 Mg的加入雖然降低了釬料的熔點(diǎn)但由于 Mg元素的氧化阻礙了其在基板上的潤濕、鋪展，使其在相同條件下潤濕面積與未加 Mg的 SnAgCu 釬料相比下降約34%50%，惡化了釬料的潤濕性能。 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。因此，添加微量元素后 SnAgCu系合金保證了合金優(yōu)良的釬焊性能，完全可以 滿足目前無鉛釬焊的工藝要求。 對比四種合金的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相對 P和 Ce元素的添加， Ni元素的添加對 SnAgCu合金固液溫度影響較大，固液相溫度都有所增加，但變化沒有超過 1℃ 且合金的糊狀區(qū)間保持不變 [23]，如圖 。固相線溫度區(qū)間（糊狀區(qū)間）也有輕微的增加，從原來的 2℃ 增加到 ℃ 。對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。 通過 添加三種微量元素和不添加微量元素的 SnAgCu釬料相比較，得出微量元素對SnAgCu釬料熔化特性的影響。微量元素的加入還對 SnAgCu焊點(diǎn)的界面組織有顯著的影響，釬料在再流焊條件下與基板潤濕、反應(yīng)生成界面化合物，形成具有一定強(qiáng)度的連接接頭，界面化合物的形貌以及厚度直接影響焊點(diǎn)的強(qiáng)度，目前已有的研究發(fā)現(xiàn)適量微量元素的加入能夠有效地抑制釬料內(nèi)部以及焊點(diǎn)界面化合物的過度生長，有利于焊點(diǎn)可靠性的提高 [2022]。 SnAgCux 釬料研究現(xiàn)狀 為改善 SnAgCu系釬料的性能，目前研究采用的方法主要是通過引入第四組元，即加入微量元素。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(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]。 SnAgCu系潤濕性較 SnPb系來說，仍然相差較大。而 SnAgCu系在含有 %Ag是熔點(diǎn)最低，為 221℃ 。 (2)SnAgBi 系 加入 Bi后可降低釬料的熔點(diǎn)，如 ，其熔點(diǎn)為 212℃ ； SnAgBi系比SnPb合金具有更高的接頭強(qiáng)度；潤濕性比 SnAg高，焊點(diǎn)表明十分光潔；但 Bi的加入會增加釬料的脆性，易產(chǎn)生焊點(diǎn)剝離的現(xiàn)象；同時(shí)由于 Bi會使合金對 Pb十分敏感，極少的Pb也會使其熔點(diǎn)降至 96℃ ，當(dāng)線路板暴露在 100℃ 以上的溫度時(shí)，焊點(diǎn)就會脫落 [14. 15]。 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。 Ag含量低于 %時(shí)， Ag3Sn呈分散狀、細(xì)小亞晶界，提高了 SnAg系的機(jī)械性能和抗蠕變、抗疲勞特性。如果加入 Ni即可改善其流動(dòng)性和抑制Cu的溶解。但它也有一系列問題，釬料流動(dòng)性不夠，不能充分流出焊點(diǎn)間隙從而產(chǎn)生焊點(diǎn)橋接，導(dǎo)致短路。 (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。但是 Bi較脆， Bi的晶粒較大時(shí)會極易粗化，導(dǎo)致機(jī)械性能急劇下降，其焊點(diǎn)也易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，這是由于在不平衡凝固時(shí) Bi發(fā)生凝固偏析，使街頭出 Bi濃度不均勻，且 Bi具有高濃度高脆性。主流是研究助焊劑來改善釬料的潤濕性，但效果不好。 SnZn系（共晶成分為 ，熔點(diǎn)為 198℃ ）是最靠近 SnPb共晶釬料性質(zhì)的釬料體系 ，加入 Bi、 In等元素后熔點(diǎn)可以進(jìn)一步降低；但其潤濕性極差，釬焊時(shí) 一般 要蠶蛹助焊劑，或者在惰性氣體保護(hù)，以減少表面張力。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。但是，絕大多數(shù)無鉛釬料需要更高的釬焊溫度，這些釬料合金不能直接用于現(xiàn)行的生產(chǎn)過程中。 無鉛釬料研究現(xiàn)狀 首先材料工作者對二元無鉛釬料進(jìn)行了深入廣泛的研究，采用的方法都是用另外一種組元取代 SnPb共晶 合金 中的 Pb，研究的合金體系有 :AuSn、 BiSn、 SnAg、 SnIn、SnZn、 SnSb、 SnCu等。而由于中國起步較晚，對含鉛釬料只