snagcu-xx=pr、ndcu焊_点内部化合物生长行为研究毕业论文(编辑修改稿)

snagcu-xx=pr、ndcu焊_点内部化合物生长行为研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

SnCuNi化合物，阻碍钎料的润湿，所以 Ni的适当添加量为 %%。 除了通过加入微量非稀土元素来改善钎料的润湿性能，很多学者还研究了稀土元素对钎料润湿性能的影响，稀土元素为表面活性元素，可以在钎料表面富集，能够显著降低液态钎料的表面张力，改善钎料的润湿性能，但由于稀土的活性其加入量过多容易氧化，阻碍钎料在基板上的润湿，恶化钎料的润湿性能，所以稀土的加入量必须严格控制。 单一稀土的研究主要集中在 Ce、 Er、 Y、 La等，文献 [27, 28]研究表明微量轻稀土 Ce由于其表面活化作用，降低了液态钎料的表面张力，能够显著改善 ，当加入量为 0. 03%，钎料的各方面综合性能最优。 重稀土 Er以及 Y也有类似的作用效果， Shi[29]等人研究了微量重稀土 Er 对 SnAgCu钎料润湿性能的影响，发现加入微量 Er 能够显著地改善，添加量 wt%以下，铺展面积随着 Er的增加而增加，具体影响规律见图 , 添加量超过 %由于稀土氧化导致钎料润湿性能下降。 文献 [30]研究发现重稀土 Y的加入也有相似的效果，添加的最佳含量为 .%左右。 也有不少研究人员研究了混合稀土对 SnAgCu钎料润湿性能的影响，文献 [31, 32]研究发现混合稀土对钎料润湿性的改进作用也非常明显，图 SnAgCu 钎料润湿时间以及润湿角的影响，表明混合稀土的添加量为 %时，钎料的润湿性能最优。 毕业设计（论文）报告纸 7 图 Er 含量对 铺展性能的影响 图 混合稀土对 钎料润湿性能的影响 微量元素 x 对 SnAgCu 钎料微观组织与力学性能的影响 钎料的微观组织与力学性能紧密联系，微观组织的形貌往往直接决定力学性能的优劣。 由于 SnAgCu系合金的非平衡凝固过 程，形成的典型微观组织主要由 βSn相、 Cu6Sn5 和 Ag3Sn三相成，虽然已有研究表明增加 Ag的含量能够提高钎料的力学性能，但如果银含量过高，冷却过程中容易生成粗大初晶 Ag3Sn相，成为拉伸时的裂纹源，降低钎料的性能，同时离共晶成分越远越容易产生凝固缺陷，必须综合考虑。 图 Lewis[33]等人在缓冷 （ 1176。 C/min）的条件下制备的 貌，由于冷却速度较慢，可以发现 Ag3Sn相呈现明显的板状形貌。 毕业设计（论文）报告纸 8 (a) Ag3Sn 相 (b) Cu6Sn5 相 图 钎料显微组织 粗大的金属间化合物不仅使钎料的强度降低同时对疲劳和冲击性能也有一定的不良影响，因此，如何得到晶粒细小、成分均匀的钎料组织至关重要，目前研究多依靠加入微量元素合金化来实现组织的细化。 文献 [34, 35]研究发现 微量非稀土元素的加入一定程度上改变了钎料的微观组织，见图 [34]，微量元 Ti的加入能够生成细小的沉淀化合物均匀分布于基体 组织中，对力学性能的提高有一定的促 进作用 ；微量 Fe的加入对基体组织晶粒大小影响不大， EDX分析生成 FeSn2化合物不规则分布在网状共晶相中；微量 Ni的加入能够生成均匀、细小的 SnCuNi化合物，分布在 βSn基体以及共晶相中，促进基体的强度； Co的加入在基体中形成细长、棒状的 CoSn2相，降低钎料的延伸率，有可能成为拉伸过程中的断裂源，但文献 [36]研究表明微量 Co的加入提供了更多的形核位置，促进更多 Cu6Sn5晶粒 的 形成，细化 Cu6Sn5化合物，有助于缓解高温时效过程中钎料力学性能的下降。 Li[37]等人 研究发现加入微量稀土元素的 SnAgCuRE系合金的微观组织大致相组成与原始 SnAgCu组织类似，但发现稀土元素的含量对共晶相的形貌存在一定的影响，当稀土含量为 %时，棒状共晶相占主导，含量 %或 %时层状共晶相占主导， 钎料共晶组织的形貌对钎料的蠕变性能有直接的影响，棒状共晶相能够阻碍裂纹的扩展，进而提高钎料的蠕变断裂寿命，同时 稀土 具有一定的―亲锡 ‖作用，在钎料合金的凝固过程中，易于在金属间化合物与 Sn基体的界面处聚集，降低金属间化合物粒子的表面张力，细化组织，凝固过 程中 细颗粒的金属间化合物弥散分布阻碍了初晶 βSn的长大 ， 最终使得钎料组织得到了有效的细化晶粒。 Dudek[38]等人研究发现稀土元素 La的加入对 ，表明加入量为 毕业设计（论文）报告纸 9 %时，生成均匀、细小的 La3Sn相，为钎料凝固过程中提供更多的非均质成核质点，有效细化钎料组织，也有研究发现稀土元素 Ce[39]、 Er[41]以及 Y[24]也有类似的作用效果。 文献 [41]研究了添加不同含量 Ce对钎料组织大小的影响， 研究发现添加适量稀土能够明显细化钎料组织，当 Ce（ %）组 织最 细小 钎料的力学性能也最优， 稀土 Ce的加入量过多，大块状的 SnCe金属间化合物，恶化钎料的性能。 (b)。 (c)。 (d)。 (e)。 (f) 图 焊料微观组织 Zhao[42]等人对添加微量 Bi的 SnAgCu钎料力学性能进行研究，结果表明一定含量（ 3%以下） Bi的添加由于产生固溶强化效果，显著提高 ，并有利于钎料在高温时效过程中力学性能的保持，见图 ，其主要原因是由于 Bi的添加降低了高温时效过程金属间化合物的生长速度， Rizvi等人 [43]对此进行了定量分析研究表明时效过程中金属间化合物的生长遵循扩散机制， 1 wt% Bi的加入有效降低了金属间化合物的生长速率，使 10−17m2/s降低至 10 −17 m2/s。 毕业设计（论文）报告纸 10 图 Bi 对高温时效 SnAgCu 合金抗拉强度的影响 SnAgCux 钎料 /Cu 界面反应 熔融的钎料在基板上润湿、反应，形成适当厚度的界面化合物层是形成可靠连接接头的必要条件，焊点界面层的过分生长，会由于生成过厚的 Cu6Sn5层以及脆性 Cu3Sn层而降低焊点的连接强度，同时作为 Cu供给源的的 CuCu3Sn界面也会因 Cu的过度消耗而可能出现 Kirkendall孔洞，对焊点可靠性造成不利的影响。 因此，钎焊过程中一定要控制界面的过度生长，通过微量元素合金化来控制界面化合物的形成以及长大是提高焊点界面连接强度的重要手段， 文献 [44]研究发现 Co和 Ni的加入有效地抑制了界面处 Cu3Sn的生长，微量 Ni还能够有效地防止 Cu3Sn/Cu界面 Kirkendall空洞的形成，有效提高界面的可靠性， Kariya[45]等人发现微量 Ni的添加能够细化低银 ，提高钎料的应变硬化指数，从而增强焊点的可靠性。 Anderson[46]等研究了微量 Mn, Ni, Ge, Ti, Si, Cr和 Zn 对焊点的影响，研究发现除了 Ge以外，微量 Mn, Ni, Ti, Si, Cr和 Zn的加入阻碍了Sn、 Cu的扩散从而抑制界面化合物 Cu3Sn的生长，其中 Mn、 Ni和 Co抑制 Cu3Sn生长的作用最为显著，以上微量元素的加入还能后有效减少 Cu3Sn/Cu界面空洞的形成、聚集，对防止 SnAgCu/Cu界面弱化有一定的促进作用，有利于焊点高温时效过程中的强度的保持。 文献 [47, 48]研究加入微量 Bi对 ，微量 Bi的加入 对再流焊条件下的界面化合物层厚度影响不大，但 有效减少高温时效过程中界面化合物的厚度，见图 ，原因是由于 Bi的加入，增加了焊点界面处界面化合物生长激活能，降低了原子扩散速度，从而阻碍了界面化合物的生长， Bi添加量为 %时，界面化合物 毕业设计（论文）报告纸 11 生长激活能最高，对抑制界面化合物过度生长效果最为显著。 Li[49]等人研究发现 Sb的加入 ,降低了时效过程中界面化合物的生长速度，同时由于产生固溶强化以及颗粒强化效应 ,可以提高焊点的极限抗拉强度，时效过程中极限抗拉强度的下降率明显慢于未添加 Sb的钎料焊点 ,Sb的最佳添加含量为 .%，但文献 [50]研究发现 Sb的添加降低了其抵抗电迁移的性能，应根据具体要求和使用环境综合考虑 Sb的添加量。 Wang[51]等人研究发现微量 Zn对焊点界面的影响，发现 Zn的加 入阻碍了，时效过程中， Zn的加入明显增加了界面化合物生长激活能， 小于未加 Zn的焊点， 175℃ 时效 480h焊点界面化合物形貌见图。 (a) 150℃ 保温 1000h (b)%Bi 150℃ 时效 1000h 图 Bi 对 /Cu 界面形貌的影响 （ a） （ b） 图 Zn 对钎料 /Cu 界面形貌的影响（ 175℃ 时效 20d） 稀土元素对焊点界面化合物的生长也有一定的抑制作用，原因是稀土元素具有较强 毕业设计（论文）报告纸 12 的亲锡作用，降低与 Cu6Sn5界面处 Sn的活度，微量稀土的加入能够有效阻碍 Cu6Sn5化合物的生长。 Liang[39]等人研究了不同含量的 Ce对 ，研究发现高温时效过程中 Ce聚集于 Sn与金属间化合物界面，阻碍了金属间化合物的过度生长，增加焊点的热稳定性，提高焊点的抗跌落能力，热循环前，添加 %Ce焊点跌落可靠性最高；热循环后 添加 %Ce抗跌落可靠性能最优。 Zhao[52]等人研究还发现微量 Ce的加入明显改变了焊点拉伸断口形貌， 改变断口处韧窝的形貌以及分布 ,添加量为 %时，断口呈现纯韧窝状断口，主要原因就是 Ce的加入可以细化、均匀基体组织，可以明显提高焊点的蠕变断裂寿命。 稀土 La对焊点性能的提高也有一定的贡献，文献 [42]研究表明，再流焊条件下，钎料中加入微量 La可使钎料 /Cu界面化合物厚度与下降 60%左右，剪切强度略有下降，但破坏应变大幅度提高，见图 ，非常有利于焊点抗跌 落性能的增强。 除了加入轻稀土以外，还有研究人员研究了重稀土对 SnAgCu焊点性能的影响 ,主要的有稀土 Er以及稀土 Pr。 文献 [29,53]研究发现加入稀土元素 Er能够细化钎料组织、抑制金属间化合物的生长，明显提高 Sn ,Er适当添加含量可为 wt%。 Hao等 人 研究发现微量 Y的加入能够抑制时效过程中 ,再流焊与时效条件下其相比未加 Y的 SnAgCu钎料组织更为细小、均 匀，再流焊条件下金属间化合物生长层见图，作用机理与轻稀土类似。 混合稀土的加入也有类似的作用效果，文献 [54]研究了加入混合稀土的 ，发现稀土有助于降低界面能，易于在晶界聚集，形成一网状结构，不仅可以阻碍晶界滑移还可以阻碍内部原子的扩散，增加了焊点蠕变变形的抗力，室温下可以提高焊点的蠕变断裂寿命 7倍以上。 图 稀土 La 对焊点剪切强度以及破坏应变的影响 毕业设计（论文）报告纸 13 图 微量 Y 对 SnAgCu/Cu 界面化合物的影响 本论文研究的目的及内容 ,前期的研究表明 ,稀土 Pr、 Nd的加入能够明显改善 SnAgCu钎料相比传统 SnPb钎料的不足之处，如润湿性、组织 热稳定性 以及界面反应过于剧烈等，但稀土元素对其焊点内部化合物的影响规律仍需要进一步的研究。 本论文主要研究重点如下： 查阅相关文献，了解不同含量、不同种类稀土元素对 SnAgCu无铅钎料性能影响，预计稀土 Pr和 Nd的可行添加含量，对 SnAgCux无铅钎料进行合理的成分设计。 SnAgCux（ x=Pr， Nd）无铅钎料体 系熔炼以及 SnAgCux/Cu焊点的制备 研究再流焊条件下，钎料 /Cu焊点内部化合物（ AgSn、 CuSn以及 xSn化合物）的组织形貌。 对添加不同含量、不同稀土元素、不同时效时间后焊点内部力学性能的分析。 研究添加不同含量、不同稀土元素、不同时效时间后对界面组织形态的影响。 初步探讨稀土元素 Pr、 Nd的存在对其再流焊以及时效过程中化合物生长的作用机理。 毕业设计（论文）报告纸 14 第二章试验材料及方法 钎料的制备 试验的原材料采用 %(质量分数 ) 的 Sn、 Ag、 Cu 及稀土 Pr、 Nd。 首先按所需 比例制备 SnAgCu熔融钎料，加热至 900℃ 并通入氮气保护，然后将稀土 Pr、 Nd分别压入到熔融钎料中保温 4小时并每隔 一小时 搅拌一次以保证钎料成分的均匀性，得到试验所需的 钎料合金，具体合金成分见表。 熔炼好的钎料合金在金属模中浇铸成钎料条，然后通过压片机制成。 表 试验钎料合金成分组成（质量 分数 %） 序号 1 2 3 4 5 Pr 的含量 0 0 0 Nd 的含量 0 0 0 原始合金 焊点的制备及力学性能试验 在表面组装技术中，焊点同时起到机械连接和电气连接的作用，随着印刷电路板、电子元器件的微型化以及组装的 高密度。