【正文】 供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。日本2005年正式廢除含鉛電子產(chǎn)品的使用。在立法及落實(shí)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。從進(jìn)展情況看，有的無鉛釬料可以直接采用，或?qū)ΜF(xiàn)行工藝不做大的改變就可能實(shí)現(xiàn)替代。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、對元件和設(shè)備耐熱性要求高等問題[69]。SnZn系（，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。主流是研究助焊劑來改善釬料的潤濕性，但效果不好。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。(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，制約了發(fā)展。但它也有一系列問題，釬料流動性不夠，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。如果加入Ni即可改善其流動性和抑制Cu的溶解。%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。 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。(2)SnAgBi系加入Bi后可降低釬料的熔點(diǎn)，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]。%Ag是熔點(diǎn)最低，為221℃。SnAgCu系潤濕性較SnPb系來說，仍然相差較大。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]。 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。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]。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。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℃，[23]： SAC305系釬料合金的熔化溫度合金SAC305SAC305NiSAC305PSAC305Ce液相線固相線糊狀區(qū)間從試驗(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，℃之內(nèi)；177。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℃℃。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]。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。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。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。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， wt%以下，鋪展面積隨著Er的增加而增加，, %由于稀土氧化導(dǎo)致釬料潤濕性能下降。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， 釬料潤濕時(shí)間以及潤濕角的影響，%時(shí)，釬料的潤濕性能最優(yōu)。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。C/min），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。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，[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，有助于緩解高溫時(shí)效過程中釬料力學(xué)性能的下降。Dudek[38]，%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。 (c) 。 (e)。 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。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。Li[49] ,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),.%，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。 (a) 150℃保溫1000h (b)%Bi 150℃時(shí)效1000h /Cu界面形貌的影響（a） （b） 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)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。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,%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。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。,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，作用機(jī)理與輕稀土類似。 稀土La對焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度以及破壞應(yīng)變的影響 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。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。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。第二章試驗(yàn)材料及方法 釬料的制備%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 的Sn、Ag、Cu 及稀土Pr、Nd。熔煉好的釬料合金在金屬模中澆鑄成釬料條。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。 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)軟件具有自動計(jì)算、保存、分析的功能。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，自動繪制成曲線和輸出所需數(shù)據(jù)。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、防震動的功能。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，推刀移動速度為10mm/min，進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值。(b) 剪切夾具與基板平行且與元器件垂直并對準(zhǔn)元器件中央位置。(c) 剪切夾具與基板的間隙應(yīng)在元器件的1/4厚度以下。(d) 剪切夾具首先與元器件輕微接觸（所施加力應(yīng)為焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度的1/10以下）以避免對元器件造成沖擊，而后移動剪切夾具而進(jìn)行加載并開始測定，剪切夾具的移動速度為10mm/min。 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。因此，焊點(diǎn)的可靠性已成為電子封裝與組裝中的關(guān)鍵問題之一，有必要對其進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。試驗(yàn)根據(jù)美國電子電路和電子互連行業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)IPCSM785 《Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments》和美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MILSTD883 《Test method military standard for microelectronics》的規(guī)定，將試樣在150℃下存儲0小