基于Sn-3Ag-Nb/Cu界面反应的综合实验教学改革与实践

依托科研项目和《材料科学基础》课程知识点设计了基于Sn-3Ag-Nb/Cu界面化学反应的综合教学实验。利用扫面电镜等设备表征焊接界面结果如下:界面IMC晶粒直径、厚度生长均与时间的1/3次方成正比。在高压空气吹扫、水冷、空冷、炉冷条件下,界面IMC形貌依次为扇贝状、棱柱状、六棱柱状。通过前期文献查阅、实验过程探索和实验结果分析,该实验教学有助于学生理论联系实践,并加深学生对界面化学反应的理解,提升学生的创新思维和实践动手能力。

Sn-3Ag-0.5Cu合金与金属Cu的润湿性研究

研究了加热温度、保温时间对Sn-3Ag-0.5Cu合金钎料在金属Cu基板上的润湿性和界面反应的影响。结果表明:保温时间为60 min,随加热温度在275~350℃增大,Sn-3Ag-0.5Cu钎料的平衡润湿角从56.0°降至28.1°;该润湿属于反应润湿,在界面形成Cu_(3)Sn相和Cu_(6)Sn_(5)相。随着加热温度的增加、保温时间的延长,Cu元素逐渐向Sn-3Ag-0.5Cu合金中扩散,两相厚度逐渐增加且更加均匀。

Fe粉对Sn-3Ag-0.5Cu复合钎料组织及性能的影响

通过在钎料中添加Fe粉颗粒,研究其对Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料的黏度、熔点、钎焊接头界面微观组织、与Cu基板之间的润湿性及焊点力学性能的影响。结果表明:微米级Fe粉的添加增加了复合钎料焊膏单位体积内焊粉的接触面积,使得焊膏内摩擦力增大,导致复合钎料焊膏的黏度增加;微米级Fe粉的添加对Sn-3Ag-0.5Cu钎料的熔化特性没有显著影响;钎焊时,由于重力偏聚及界面吸附作用,Fe粉颗粒集中沉积于Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu钎焊接头界面处靠近钎料一侧,由于增大液态钎料黏度而导致钎料与Cu板间的润湿性降低;与Sn-3Ag-0.5Cu/Cu相比,Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu界面处钎料一侧粗大的β-Sn枝晶区消失,取而代之的是细小的等轴晶。Sn-3Ag-0.5Cu-1%Fe/Cu的剪切强度为46 MPa,比Sn-3Ag-0.5Cu/Cu剪切强度提高39%;靠近界面金属间化合物处钎料基体的显微硬度提高约25%。

Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni/Cu微焊点剪切强度与断口的研究

用直径为200-500μm的Sn-3．0Ag-0．5Cu无铅焊球分别在Ni和Cu焊盘上制作焊点，并对焊后和时效200h后的焊点进行剪切测试，并采用SEM观察剪切断口形貌。结果表明，焊后和时效200h后焊点接头的剪切强度都随焊球尺寸增大而减小。焊后断口处韧窝形状为抛物线型，断裂方式为韧性断裂；随着焊球尺寸的增大，剪切断口处的韧窝数量增多，韧窝的变小变浅。时效200h后，韧窝变浅，趋于平坦，韧窝数量也明显减少，材料的韧性下降，脆性增加，断裂方式由韧性向脆性发生转变。

Sn-3.5A g0.6Cu合金对铜引线的钎焊性研究

研究了Sn-3.5Ag0.6Cu无铅钎料的制备工艺、助钎剂系统和活性剂含量以及钎焊工艺参数等对铜引线钎焊性的影响。试验结果表明,通过材料改性可提高钎焊性,而松香-乙醇或异丙醇溶液是其优良的助钎剂;当添加的活性剂为松香质量的0.4%或溶液质量的0.1%时,可分别将润湿速率提高5倍,润湿力提高1.5倍;其最佳工艺参数:熔融钎料温度≤270℃,浸渍时间2～3s。

Y_2O_3增强Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料

研究了稀土氧化物颗粒增强复合无铅钎料Sn-3Ag-0.5Cu-Y2O3的钎焊接头的显微组织形貌、性能特点及有关影响机制。结果表明:Y2O3增强颗粒均匀分布于Sn-3Ag-0.5Cu钎料基体中,不仅细化了钎焊接头中共晶相Ag3Sn和Cu6Sn5相颗粒尺寸,而且也显著提高了钎焊接头的剪切强度。另外适量Y2O3颗粒的添加对钎料润湿性影响不大。

63Sn-37Pb和Sn-3Ag-0.5Cu合金钎料的扭转低周疲劳性能

用扭转疲劳试验机对63Sn-37Pb和Sn-3Ag-0.5Cu两种合金钎料在扭转载荷下的低周疲劳性能进行了研究。结果表明:两种钎料均为循环软化材料,它们的变形主要由塑性变形决定;两种钎料的疲劳寿命均随着剪应变幅的减小而显著增大;在相同的剪应变幅下,Sn-3Ag-0.5Cu合金钎料的疲劳寿命比63Sn-37Pb钎料的长,即Sn-3Ag-0.5Cu合金钎料的抗剪切疲劳能力更强。

时效时间对Mg-3Sn-1Cu合金热导率及硬度的影响

研究了不同时效时间对Mg-3Sn-1Cu合金显微组织、热导率及其硬度的影响。结果表明,时效处理后Mg-3Sn-1Cu合金晶粒以等轴晶形式存在,在晶界和晶粒内部弥散析出Mg2Sn相和Mg2Cu相,合金的热导率随时效时间的增长逐渐增加,合金的布氏硬度随时效时间增加呈先升高后下降的趋势。

工业纯Sn和Sn-3Ag-0.5Cu合金在沈阳大气环境下自然暴露的初期腐蚀行为

通过沈阳大气环境下的自然暴露实验研究工业纯Sn和Sn-3Ag-0.5Cu合金的早期大气腐蚀行为。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)分析了表面腐蚀产物的形貌与成分。结果表明:工业纯Sn与Sn-3Ag-0.5Cu合金在沈阳工业大气环境下自然暴露后都很快发生了表面腐蚀并失泽,早期腐蚀产物疏松、龟裂并易于剥落。XPS深度分析表明:自然条件下暴露18 d后,表面腐蚀产物层厚度约为400 nm。工业大气中的悬浮物颗粒对腐蚀的形核和扩展起重要作用,Sn-3Ag-0.5Cu合金中的第二相Ag3Sn和Cu6Sn5作为阴极存在,但对大气腐蚀的加速影响不大。

Cr对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料抗氧化性能的影响

研究了Cr元素对液态Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)焊料在280℃下表面抗氧化性能的影响,并通过扫描电镜(SEM)、俄歇电子能谱(AES)分析了焊料的表面氧化,探讨了Cr改善合金抗氧化性能的机制及其对SAC305无铅焊料显微组织和润湿性能的影响。结果表明,Cr元素的加入可有效提高焊料的抗氧化性,Cr元素在熔融的焊料表面易于生成Cr2O3,其先于Sn氧化形成一种保护性的致密氧化膜,阻碍了焊料的进一步氧化。当焊料中Cr的质量分数达到0.1%(质量分数)时,焊料表面的氧化膜光滑致密,SAC305-0.1Cr液态焊料具有很好的抗氧化性能。另一方面,Cr的加入降低了焊料的润湿性能,随着Cr含量的不断增加,焊料的铺展面积逐渐减少。微量P元素的添加可以改善SAC305-0.1Cr焊料的润湿性。

时效Sn-0.3Ag-0.7Cu/OSP、ENIG焊点剪切强度的比较

研究了Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料与有机防氧化涂层(OSP)及化学镀镍金镀层(ENIG)焊盘回流焊后焊点界面IMC和剪切强度在不同时效条件下的变化。结果表明,(1)随着时效时间的增加,两种焊盘的界面IMC厚度都增加,并且符合抛物线生长规律,但是OSP焊盘界面IMC生长速率要快于ENIG焊盘界面IMC的生长速率,其界面IMC的形貌逐渐平整;(2)OSP和ENIG焊盘焊点的剪切强度均随时效时间的延长而下降。在低温时效时,ENIG焊盘焊点的剪切强度高于OSP焊盘焊点的剪切强度;然而,在高温时效时,ENIG焊盘焊点的剪切强度却低于OSP焊盘焊点的剪切强度。

焊点高度对微尺度焊点力学行为的影响

采用精密动态力学分析仪研究了直径恒定为400μm、高度为125～325μm的无铅Sn-3.0Ag-0.5Cu"铜引线/钎料/铜引线"三明治结构微尺度焊点在100℃和25℃温度下的准静态拉伸与剪切力学行为以及断裂失效机制.结果表明,所有微尺度焊点的拉伸和抗剪强度均随焊点高度的增大而减小;在相同的试验条件下,相同尺寸微尺度焊点的抗剪强度低于抗拉强度,同时剪切断裂应变小于拉伸断裂应变,表明电子封装互连微尺度焊点在剪切应力下的服役环境更为严峻.但是,在相同的加载速率下,相同尺寸微尺度焊点的拉伸强度与断裂应变均随温度的升高而减小.

无铅焊料的盐雾腐蚀性能研究

无铅焊料已经进入实用化研究阶段，Sn-3Ag-0．5Cu及sn-8Zn-3Bi等几种典型合金在-些电子产品中已经得到实际应用。然而对于上述无铅焊料的腐蚀性却报道较少。选取Sn-3Ag-0．5Cu、Sn-8Zn-3Bi及Sn-8Zn-3Bi—Nd合金进行盐雾腐蚀实验，对腐蚀表面进行宏观及微观分析，并与传统的sn—Pb焊料对比，考察焊料合金的耐腐蚀性能。结果表明：Sn-3Ag-0．5Cu具有比传统Sn—Pb焊料更优越的耐腐蚀性能；Sn-8Zn。3Bi合金由于组织中存在更为粗大的初生Zn相易于优先腐蚀而导致抗盐雾腐蚀性能不良，因此在腐蚀开始阶段腐蚀速率相对Sn-8Zn-3Bi—Nd合金更快，但后者初生相数量更多，因此在更长时间腐蚀后腐蚀量更大。