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在公众舆论、环保意识、相关法律、市场需求等因素的推动下,电子封装的无铅化研究成为工业界和学术界的重大科学技术前沿问题。随着电子工业的发展和无铅钎料研究的深入,对于高性能、低成本的无铅钎料的需求愈加迫切,而钎焊反应和焊点可靠性已成为当前研究的热点。由于稀土元素具有独特的性质,本文研究讨论了微量稀土元素对Sn-3. 5Ag、Sn-9Zn、Sn-3. 5Ag.0. 7Cu无铅钎料的组织、熔点、润湿性以及相关力学性能的影响,探讨了微量稀土元素的影响机制。为优化Sn-9Zn合金的性能,添加Cu元素研制了(Sn-9Zn)-xCu(SZ-xCu)无铅钎料,并对钎料的组织、熔点、润湿性、以及相关力学性能进行了研究,对与Cu基体钎焊形成的界面化合物成分、形貌进行了分析。总结研究了几种Sn-Ag-Cu合金的性能;在此基础上,对钎焊过程中Sn-Ag-Cu/Cu界面化合物形貌和生长行为进行了研究;总结了纳米Ag3Sn颗粒在界面金属间化合物上的吸附现象;并对微量Au元素对Sn-3. 5Ag-0. 7Cu合金组织和力学性能的影响进行了初步研究。钎焊过程形成的界面金属间化合物(IMC)的生长行为是温度和时间的函数。由于蘸入法能够精确控制钎焊的温度和时间,本文用蘸入法钎焊得到相应钎焊接头,对时效过程中界面化合物的生长行为、接头组织演变进行了深入研究。具体包括:Sn-Pb/Cu和Sn-Ag/Cu界面金属间化合物的生长,其焊后界面构成为:钎料/Cu-Sn/Cu;Sn-9Zn-3Bi/Cu界面显微结构的演变,其焊后界面构成为:钎料/Cu-Zn/Cu。通过上述研究,得到以下主要结论:(1) 由于吸附作用,微量稀土元素能够有力地细化合金的微观组织,而且随着第二相体积分数的增加,稀土元素的细化效果更加明显。作为表面活性物质,微量稀土元素能够降低合金的表面张力,提高合金的润湿性。微量稀土元素细化合金组织,使得析出强化效果增加,进而提高了合金的综合力学性能。(2) Sn-Zn-Cu钎料由于Cu的加入减少了Zn原子在钎料表面的氧化,有效的降低液态钎料的表面张力,使钎料与Cu之间的润湿性得到显著提高,获得了较小的润湿角。钎料与Cu钎焊过程中,界面处化合物成分随着钎料中Cu含量的增加由层状Cu5Zn8相向扇状Cu6Sn5相转变,同时SZ-xCu/Cu接头剪切强度由于界面IMC的转变而提高。(3) Sn-Ag-Cu合金的微观组织均由β-Sn,Ag3Sn,Cu6Sn5三相组成;随着Ag和Cu含量的增加,合金组织中出现粗大的化合物相。随着Cu含量的增加,Sn-3. 5Ag/Cu,Sn-3. 5Ag-0. 7Cu/Cu,Sn-3. 5Ag-1. 7Cu/Cu焊后IMC厚度随时间增加而变厚。Sn-0. 5Ag-4Cu钎料在短时焊接时IMC层较薄,随着焊接时间的延长,Cu6Sn5的沉淀作用使得IMC层长大速度较快。Sn-3. 5Ag-1. 7Cu,Sn-3. 5Ag-0. 7Cu合金钎焊界面粗糙度要大于Sn-3. 5Ag和Sn-4Cu-0. 5Ag界面。Sn-3. 5Ag合金的粗糙度较小的原因是界面化合物溶解,IMC的厚度较薄造成的。Sn一4Cu一0.SAg/Cu界面化合物粗糙度最小,原因是由于cu含量的增加,金属间化合物与液态钎料之间的界面能增大,使得平衡状态下相邻Cu6Sns晶粒之间夹角变大。 (4)当Sn一3.SAg,Sn一3.SAg一0.7Cu和Cu,Ni进行钎焊反应时,在Cu一Sn、Ni一Sn、(C uNi卜Sn化合物表面发现有纳米Ag3sn粒子的生成。分析表明这些粒子是在焊后凝固过程中,液态合金析出的Ag3sn粒子被界面吸附而形成的。 (5)微量Au元素对合金凝固后的组织影响不大。在120℃时效后,由于Ausn;相的析出强化,含有微量Au元素的合金抗拉强度高于Sn一Ag一Cu钎料。在120℃,12Mpa应力下,含Au钎料蠕变速度变小,蠕变寿命变长。 (6)时效后,Sn一3.SAg/Cu和Sn一37Pb/Cu界面化合物形貌由焊后的扇形转变为层状。sn一3.SAg/Cu整个界面IMC和Cu6sns化合物的激活能分别为73.llkJ/mol,58.59kJ/mol。Sn一37Pb/Cu整个界面IMC和Cu6Sns化合物的激活能分别为82.19kJ/mol,75.16kJ/mol。利用蘸入法得到的界面化合物层生长激活能普遍要小于再流法得到的。原因是蘸入法焊后初始的界面化合物层比较薄,使得低温时效时化合物层生长速率较快导致的。 (7)Sn一gzn一3Bi/Cu界面170℃时效100h、200h后,在Sn一gzn一3Bi/Cu钎焊接头界面处出现单一连续的Cu5Zns化合物层;而时效500h、IOO0h后,界面处出现了三层化合物层:从基体Cu侧起,依次为Cu6Sns化合物层,Cu5Zns化合物层,Cu6Sns化合物层。由于界面处存在Cu,Sn和Zn元素的浓度梯度,使得界面Cu6Sns化合物层随时效时间的增加而增厚,而中间Cu5Zns化合物层逐渐减薄。关键词:无铅钎料;电子封装;微观组织;熔点:润湿性:拉伸性能;钎焊;金属间化合物;界面反应;扩散