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随着无铅材料在电子工业应用成为市场的必然趋势,无铅钎料的研究成为电子封装领域的热门话题。其中以Sn-Zn共晶合金的熔点为198.5℃最为接近Sn-Pb钎料(183℃)。使用Sn-Zn合金作为替代品,无需开发耐高温的钎焊设备、印刷电路板及被焊电子元件,可以大大降低无铅钎料转化工艺的成本。此外,Zn元素廉价,无毒,而且具有较为丰富的储存。而在Sn-Zn二元合金中添加其他元素能够近一步提升钎料性能,也广泛用于电子行业中。本课题以Sn-9Zn钎料为研究对象,ZrC为增强颗粒。分别向Sn-9Zn钎料中添加质量分数分别为0.03 wt.%、0.06 wt.%、0.09 wt.%和0.12 wt.%的ZrC纳米增强颗粒。结果表明:通过添加适量的纳米ZrC颗粒,Sn-9Zn复合钎料合金的润湿性得到改善,Sn-9Zn复合钎料的微观组织得到细化。Sn-9Zn复合钎料合金的显微组织由初生β-Sn和Sn-Zn共晶组成,Sn-9Zn复合钎料合金接头中的界面IMC层由Cu5Zn8和 Cu6Sn5组成。Sn-9Zn复合焊料合金接头的IMC层厚随着ZrC含量的增加而增加。Sn-9Zn基复合焊料合金接头的拉伸强度和剪切强度与ZrC含量有关,焊点的最大力学性能通过添加约0.06 wt.%ZrC获得,而Cu/Sn-9Zn-(0-0.09)ZrC/Cu焊点的断裂机制为韧性断裂。综合Sn-9Zn-xZrC复合钎料的各项性能,得到最佳ZrC添加量为0.06 wt.%。研究了时效温度对Sn-9Zn和Sn-9Zn-0.06ZrC钎料焊点的微观组织和力学性能的影响。随着时效温度的增加,Sn-9Zn和Sn-9Zn-0.06ZrC钎料焊点的微观组织均呈粗化的趋势,但相比于Cu/Sn-9Zn/Cu焊点,Sn-9Zn-0.06ZrC焊点的显微组织更为细小。这主要是因为ZrC颗粒抑制了 β-Sn相的扩散使组织细化。Sn-9Zn和Sn-9Zn-0.06ZrC钎料焊点的界面IMC层的厚度均在时效过程中呈增加的趋势,Sn-9Zn焊点界面IMC层逐渐由平坦状转变为锯齿状并向钎料和Cu基板生长,而Sn-9Zn-0.06ZrC界面IMC层逐渐趋于较厚的平坦状。当时效温度为175℃时,Sn-9Zn钎料中的β-Sn相出现了再结晶和过烧,说明焊点时效温度不宜超过175 ℃。Cu/Sn-9Zn/Cu和Cu/Sn-9Zn-0.06ZrC/Cu焊点焊点抗拉强度随着时效温度的升高均呈现下降趋势,拉伸断口的韧窝尺寸变大,数量减小。相同时效条件下Cu/Sn-9Zn-0.06ZrC/Cu焊点拉伸强度偏高,这是由于稳定的ZrC在时效过程中不参与反应,能钉扎相界和阻碍元素的扩散而提高其力学性能。研究了热循环次数对Sn-9Zn和Sn-9Zn-0.06ZrC钎料焊点的微观组织和力学性能的影响。随着热循环次数的增加,Sn-9Zn和Sn-9Zn-0.06ZrC钎料焊点的显微组织呈不断粗化的趋势且界面IMC层厚度逐渐增加。相比于Sn-9Zn钎料合金,Cu/Sn-9Zn-0.06ZrC/Cu钎料合金微观组织更为细小均匀且界面IMC层较厚。随着热循环周次的增加,Cu/Sn-9Zn/Cu和Cu/Sn-9Zn-0.06ZrC/Cu钎料焊点的抗拉强度均呈下降的趋势。在相同热循环条件下,Sn-9Zn-0.06ZrC钎料焊点的抗拉强度比Sn-9Zn更高。这是因为ZrC细化Cu/Sn-9Zn/Cu焊点接头微观组织,且分布于晶界处的ZrC提高晶界强度,晶内的ZrC在塑性变形过程中阻碍位错运动使应力分布更为均匀、从而提高了焊点的力学性能。有限元模拟焊点应力集中点在Cu板和钎料结合处边缘。通过C-M方程预测分析焊点的循环周次在1500-1600之间,预测结果跟试验数据较为吻合。研究温度和应力两场耦合条件下Cu/Sn-9Zn-xZrC/Cu钎料焊点的抗蠕变性能。随着温度和应力的增加,Sn-9Zn和Sn-9Zn-0.06ZrC钎料焊点的蠕变寿命逐渐降低;Sn-9Zn和Sn-9Zn-0.06ZrC复合钎料焊点断裂方式均由韧性断裂逐渐转变为穿晶断裂。添加ZrC颗粒可以提高焊点蠕变寿命。Sn-9Zn钎料和Sn-9Zn-0.06ZrC复合钎料焊点的蠕变本构方程分别为(?)钎料焊点的蠕变机制为位错管道扩散控制的位错攀移。