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为了适应电子封装无铅化的要求,人们开始寻找一些新的合金来替代SnPb合金,经过数年的努力,已经提出了一些新的合金,如SnAg3.4-4.1Cu0.45-0.9,SnCu0.7和SnAg3.5等作为候选的焊接材料,这些合金的共同特点是合金中的锡含量(质量百分比)都达到95%以上,锡的性能强烈影响这些合金的性能。因此有关锡的性能的研究已经引起了广泛关注。同时为了满足电子产品多功能化,轻薄化,封装高密度化,焊接点的特征尺寸已经达到了50μm,并还有进一步减小的趋势。这个尺寸接近了锡合金的晶粒尺度,必须考虑锡单晶体的变形行为和晶体取向对焊点性能的影响。
本文利用Bridgman法制备出大块β-Sn单晶体,分别对[110]和[112]取向的单晶锡在不同条件下进行了拉伸试验,讨论了两种取向的变形行为存在的差异。发现不同取向的单晶锡试样对于应变速率都非常的敏感,[110]取向晶体的应变速率敏感指数是0.133,高于[112]取向的0.108,表现出较高的塑性。单晶锡在变形过程中表现出很强的加工硬化,[110]取向的试样硬化指数约为0.54,高于[112]取向的0.46。通过电镜观察,发现[110]取向的试样的变形主要以滑移方式进行,首先开动的滑移系是/<100>,而[112]取向的试样是以滑移和孪晶方式共同进行的。根据激活能和滑移形貌的观察得出了变形过程是由双交滑移机制控制的。
对单晶锡的应力松弛实验的研究表明,松弛速率与应力之间的双对数曲线具有非常好的线性。应力敏感指数在8-12之间,随着温度的变化有较大的变化,温度越高,应力敏感指数越小。应力松弛速率与初始加载的应变量存在一定的关系,初始应变量越大,松弛的速率越大。随着初始应变量的增加,应力值增高,应力敏感指数n随着应力值增加而下降。应力松弛过程的激活能为42KJ/mol,其物理机制是发生了c轴的自扩散。
对单晶体锡焊点结构的研究发现,焊点结构的应力应变曲线包含弹性阶段、二期硬化阶段和三期硬化阶段。它的应力松弛曲线具有很好的线性,应力松弛的总量随着初始加载速率的增大而增加。应力松弛过程呈现出较大块单晶体试样高的应力敏感指数,应力敏感指数随着初始加载应变量的增大而增大,随着初始加载速率的增大而增大。