钎料合金蠕变行为及非耦合型本构理论研究进展

在严苛的服役环境与小型化结构设计需求的双重作用下,航天仪器设备所承受的载荷不断增加并愈加复杂,而焊点、引线等封装结构作为仪器设备的薄弱环节,一旦破坏往往会导致器件甚至设备功能丧失,为了提升仪器设备的环境适应性与可靠性,需要准确把握封装结构材料蠕变行为与损伤机理,完善钎料合金本构理论并提升材料蠕变性能预测精度,发展封装结构精细化仿真分析方法。本文梳理了钎料合金蠕变性能及其影响因素,回顾了非耦合型本构理论的发展历程与研究热点,分析了相关模型的预测能力,为深入理解钎料合金蠕变行为与性能预测奠定基础。

稀土对表面组装用Sn2.0Ag0.7CuRE钎料合金组织与性能的影响

对真空条件下制备的Sn2.0Ag0.7CuRE钎料合金显微组织、力学及物理性能进行了研究。结果表明:当稀土(RE)的添加量小于0.1%(质量分数)时,RE均匀地分布在钎料合金中,除铺展面积和延伸率与Sn37Pb钎料相当外,Sn2.0Ag0.7CuRE钎料合金的拉伸强度和导电性能均高于传统的Sn37Pb钎料;当RE添加量达到0.5%时,钎料合金中出现了明显的梅花状和点状RE化合相且弥散分布于晶界和相界附近,且拉伸强度、延伸率和铺展面积都出现了不同程度的下降。从综合性能和制造成本考虑,真空条件下制备Sn2.0Ag0.7CuRE钎料合金,RE的添加量应不大于0.1%。

合金元素对AgCuZn系钎料合金组织与性能的影响

通过向AgCuZn系钎料合金中添加适量的合金元素Sn,Ni,P,研究了不同元素含量的Sn,Ni,P对AgCuZn系无镉钎料组织性能的影响。结果表明,随着Sn元素含量的增加,钎料的润湿铺展性能整体呈上升趋势;P元素的加入可以降低液态钎料与试件间的表面张力,改善钎料的润湿性和流动性。显微组织分析表明,AgCuZn系钎料合金微观组织主要由富Cu相、CuZn化合物相、Cu5.6Sn化合物相、Cu40.5Sn11化合物相和Ag的析出相组成,AgCuZn钎料合金中加入Sn元素后生成粗大的树枝晶,使钎料脆性增大;钎料合金中加入Ni元素,生成灰黑色的Ni3P化合物相,微观组织细化;P元素的加入生成灰色的CuP化合物相。

无铅锡基钎料合金设计和合金相图及其计算

阐述了无铅钎料合金设计的原则,讨论了合金相图及其计算在无铅锡基钎料合金设计中的作用。利用相图计算技术筛选了可能代替Pb Sn共晶钎料合金的Sn Zn In三元(x(Zn)<0.11,x(In)=0.10～0.14)和Sn Zn In Ag四元(x(Sn)=0.800,x(In)=0.090,x(Zn)=0.075,x(Ag)<0.049)无铅锡基钎料合金。初步讨论了用相图计算技术在富Sn四元Sn Zn In Ag无铅钎料合金基础上,添加Bi,Sb等低熔点金属和微量Ce,La等稀土元素以降低贵金属In和Ag的含量,进一步提高无铅锡基多元合金钎料的综合性能和性能价格比。

P,稀土La对AgCuZnSn钎料合金组织与性能的影响

通过向AgCuZnSn钎料合金中添加适量的元素P和稀土元素La,研究了不同含量的P元素,稀土La对AgCuZnSn系无镉钎料组织性能的影响。结果表明,P元素的加入可以降低液态钎料与试件间的表面张力,改善钎料的润湿性和流动性;稀土La的加入,可以改善钎料的润湿性,但随稀土含量的增加,钎料的润湿性能降低。显微组织分析表明,AgCuZnSn钎料合金微观组织主要由CuZn化合物相、Cu5.6Sn化合物相和Ag的析出相组成,AgCuZnSn钎料合金中加入P元素后生成黑灰色的Cu3P化合物,微量稀土La的加入可以细化钎料组织,抑制金属间化合物的生长。

微量稀土及工艺参数对SnAgCu钎料合金润湿特性的影响

选用商用水洗钎剂,采用润湿平衡法研究了Sn2·5Ag0·7CuXRE系钎料合金在不同钎焊工艺参数下对表面组装元器件润湿特性的影响。研究结果表明:添加微量稀土(RE)可改善钎料的润湿特性,当RE添加量(质量分数)达0·1%时,润湿效果最好;钎焊温度升高、钎焊时间和预热时间延长,可不同程度提高润湿力,但钎焊温度过高、时间过长,润湿力下降;Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金在最佳钎焊工艺参数钎焊温度250℃、预热时间15s、钎焊时间5s时,润湿力最大,达到现行商用Sn3.8Ag0.7Cu钎料合金的润湿力,能满足表面组装对无铅钎料润湿性能的要求。

添加Bi和P对Sn-0.7Cu无铅钎料合金性能的影响

研究了添加Bi和P对Sn-0.7Cu无铅钎料合金熔点、显微组织、在Cu上的润湿性、导电率、硬度以及蠕变抗力等性能的影响。实验结果显示,随Bi含量增加,Sn-0.7Cu合金的熔点、导电率略有降低,润湿性、抗蠕变性能和维氏硬度均提高;此外,在添加Bi的基础上加P元素,能进一步降低Sn-0.7Cu-Bi合金的熔点,提高合金的导电率和润湿能力,但合金硬度略有下降;Sn-0.7Cu-1Bi-0.05P钎料合金的抗蠕变性优于Sn-0.7Cu-1Bi,Sn-0.7Cu-3Bi-0.05P钎料合金的抗蠕变性则劣于Sn-0.7Cu-3Bi。金相显微组织观察表明,单独加Bi能细化Sn-0.7Cu合金中的Cu6Sn5金属间化合物相;P的加入使Sn-0.7Cu-1Bi合金中的β-Sn枝晶尺寸变小,且Cu6Sn5相呈规则网络状分布于枝晶间隙;而在Sn-0.7Cu-3Bi合金中加P则粗化了Cu6Sn5相,并使IMC呈无规则分布。

Sn－pb－Ce－La钎料合金的显微组织分析

Ｓｎ－ｐｂ－Ｃｅ－Ｌａ钎料合金的显微组织分析朱颖，方洪渊，钱乙余（哈尔滨工业大学）丁克俭，薛利忠（无锡群力有色材厂）稀土金属作为变质剂在冶金工业中得到了广泛的应用￣［１］。在Ａｌ、Ｍｇ等有色金属及合金中添加稀土金属也可以提高金属的疲劳强度，阻止裂纹产...

SnAgCu系无铅钎料合金力学性能及钎焊性能研究

利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDX)及Instron电液伺服疲劳拉伸试验机,对SnAgCu系无铅钎料合金的力学性能和钎焊性能进行了研究。结果表明,适量的稀土元素Ce的添加显著地延长了Sn3Ag2.8Cu钎焊接头在室温下的蠕变断裂寿命,Sn3Ag2.8Cu-0.1Ce钎焊接头的蠕变断裂寿命超过Sn3Ag2.8Cu钎料的9倍;同时,使Sn3Ag2.8Cu合金的延伸性能也得到了显著改善,伸长率达到15.7%;Sn3Ag2.8Cu-0.1Ce与铜基板的扩散层厚度比Sn37Pb厚,但是比Sn3Ag2.8Cu薄。

SnCu钎料合金镀层钎焊连接机理及界面反应

通过在LD31铝合金表面电刷镀Ni,Cu后再沉积SnCu钎料合金镀层的钎焊实验,研究了钎料镀层的连接机理及界面反应.改进了可降低Ni层应力的电刷镀镀Ni液的配方,开发出适合镀层钎焊的SnCu钎料合金镀液.钎焊时钎料润湿为附着润湿.研究了在300℃钎焊时焊缝界面金属间化合物的生长规律,结果表明:焊缝中Cu—SnCu界面处生成了球状和棒状的Cu6Sn5金属间化合物;拉伸时焊缝主要沿着SnCu金属间化合物和富Sn相之间的界面断裂.

Zr元素含量对钛基钎料合金固溶强化的影响

利用EET理论分析Zr元素对钛基钎料合金的固溶强化效果,得出锆含量自45%~12%变化时,Ti-Zr-15Cu-10Ni(质量分数,%)钎料合金晶胞内最大共价电子数先保持不变、而后减小再增大.当锆含量为37.5%时,Zr元素对钛基钎料合金的固溶强化作用相对较大,采用此锆含量的钎料合金Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni(质量分数,%)对Ti3Al-Nb合金进行同质过渡液相扩散连接.在连接温度低于1 000℃条件下,钎料合金的扩散能力主要受保温时间的影响;在较高连接温度下,钎料合金的扩散能力明显提高,可在短时保温条件下形成组织均匀、无析出物的连接界面.

Cu-Ag-Si-Ga系低蒸气压钎料合金研究

研究了Cu—Ag—Si—Ga系钎料合金的熔化特性、加工性能和在Cu、Ni和不锈钢母材上的铺展性、钎焊接头强度以及Ga对钎料合金微观组织的影响。推荐一种典型的钎料，其成分为40Ag-2Si-2Ga-余量Cu（质量分数％），熔化温度为786．1～823．0℃，在500℃的条件下的蒸气压低于5．51×10^-8Pa，该钎料适合用于850～870℃电真空器件分级钎焊。

Cu和Ce对Sn-Zn系钎料合金物理性能和化学性能的影响

通过向Sn-Zn系钎料合金中添加Cu和单一稀土Ce,利用金相显微镜(OM)、差热分析仪(DTA)和热重分析仪(TGA)研究Cu和单一稀土Ce对合金的物理性能和化学性能的影响。结果表明,添加Cu和单一稀土Ce都可以提高焊锡合金的熔点,这是因为Cu和Ce的熔点都远远高于Sn-Zn系钎料合金的熔点,从而增加了合金的熔程,提高熔点;当添加Cu含量为4%,稀土含量为0.05%时,合金的润湿角最小为49°;从合金的化学性能来看,在2%Cu的合金中随着稀土含量的增加,合金氧化呈现先增重后失重的现象,在4%Cu的合金中随着稀土含量的增加,合金一直处于失重状态。从综合性能来看,最佳的合金成份是Sn-8Zn-2Cu-0.05Ce。

冷却速度对Sn-Pb钎料合金组织和性能的影响

采用扫描电镜和微型拉伸试验机,研究了冷却速度对Sn-Pb钎料合金组织和性能的影响。为了得到不同冷却速度下的Sn-Pb合金,将Sn-Pb合金在300℃下熔化,分别直接在25、50、100和150℃的重油中冷却成固态。研究结果表明:冷却速度越小,Sn-Pb钎料合金的组织越大,当钎料合金在25℃重油中冷却时,钎料合金富Pb相的大小为8.7μm,而当钎料合金在150℃重油中冷却时,钎料合金富Pb相的大小为22.2μm;冷却速度越小钎料合金的强度越高,当钎料合金在25℃重油中冷却时,钎料合金的抗拉强度为26.36 MPa,而当钎料合金在150℃重油中冷却时,钎料合金的抗拉强度为31.84 MPa;钎料合金拉伸断口均表现为韧窝结构,韧窝大小随着冷却速度的降低而逐渐增大。

微量RE对Sn-2．5Ag-0．7Cu钎料合金润湿性的影响

采用润湿平衡法,研究了水洗钎剂条件下Sn-2.5Ag-0.7Cu-xRE无铅钎料合金在1206片式元器件和Cu焊盘上的润湿性。结果表明,添加质量分数为0.1%的RE的Sn-2.5Ag-0.7Cu钎料合金在1206表面贴装元器件和Cu焊盘上有最大的润湿力和铺展面积及最小的润湿角,其润湿性最好,润湿力优于Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料合金,满足微电子行业对润湿性能的要求。

Zr对Ag-Cu-Ti钎料合金显微组织与力学性能的影响

通过非自耗电弧熔炼与氩气保护浇铸,制备Ag-50Cu-4Ti基钎料合金。采用差热分析(DSC)、X射线衍射(XRD)、显微组织观察及力学性能测试方法,研究Zr含量对基体钎料合金显微组织与力学性能的影响。结果表明,Zr含量的增加并不明显影响钎料合金的熔化温度,其熔点均为783℃左右。随Zr含量的提高,基体合金的显微组织发生明显变化,Zr的添加可降低基体合金中针状Cu3Ti相的体积分数与尺寸,促进弥散分布的(Cu,Ag)5(Ti,Zr)相形成,从而提高合金的维氏硬度与剪切强度。高温氧化实验表明,含Zr合金表现出相对基体合金更为优异的高温抗氧化性能。

RE对微连接用SnAgCuRE钎料合金组织及性能的影响

以Sn2.5Ag0.7Cu系钎料合金为基础,添加少量的RE,研究RE添加量对合金组织、力学及物理性能的影响,以确定最佳RE添加量。

锡铅稀土钎料合金的高温蠕变性能

本文对比分析了Sn60Pb40和Sn-Pb-0.05RE两种钎料合金在多轴应力状态下的蠕变断裂规律,初步探讨了主控两种钎料合金蠕变断裂的力学因素,并从金属学角度初步探讨了两种钎料合金的蠕变断裂方式,着重分析了混合稀土对锡铅钎料合金蠕变性能的影响.

Bi元素对SAC305钎料合金组织和性能的影响

利用金相显微镜和微型拉伸试验机对SAC305-Bi钎料合金的润湿性、组织和力学性能进行了研究。结果表明:SAC305-Bi钎料合金的润湿性随着Bi元素含量的提高而逐渐提高;当Bi元素含量低于0.5wt%时钎料合金的组织几乎不变化,当Bi元素的含量高于0.5wt%时钎料合金的组织粗化,当Bi元素的含量达到4wt%时形成了一种新的共晶相;SAC305-Bi的抗拉强度随着Bi元素含量的提高而逐渐提高,其延伸长度则逐渐降低。

液相分散法制备低熔点Sn-Bi-In钎料合金粉的工艺研究

以十二烷基硫酸钠(SDS)为表面活性剂,聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)为稳定剂,采用液相分散法,在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中制备了不同粒径的低熔点Sn-Bi-In钎料合金粉,并研究了钎料合金粉的粒径和形貌的主要影响因素。实验发现,搅拌时间和转速对钎料合金粉的粒径影响较大,而稳定剂对于合金粉的粒径和形貌也有显著影响。通过控制工艺条件,可得到粒径为1～10μm的钎料合金粉。运用SEM和XRF对钎料合金的形貌和成分进行了表征,并采用DSC方法分析了钎料合金粉的熔化温度区间。微米级Sn-Bi-In钎料合金粉配制的焊膏可用于微电子连接中电子元器件、引线和PCB电路板的连接与组装。