SnCu和SnAgCu系无铅焊料的氧化行为研究

SnCu和SnAgCu系无铅焊料在熔化及波峰焊过程中会产生锡渣,影响焊料的流动性、润湿性等,最终影响焊料的使用。选取市场上常见的SnCu和SnAgCu系无铅焊料产品,在270℃进行喷流氧化实验。通过对原始的焊料组成以及氧化实验获得渣样的物相和元素组成进行分析来研究杂质元素对系列无铅焊料抗氧化性性能的影响。结果表明,氧化实验后,Al、Ca、Fe和Si等亲氧元素会在渣中富集,从而降低无铅焊料的抗氧化性能。

P、Ga元素对SnCu0.7无铅焊料抗氧化性的影响

通过静态和动态氧化实验研究了P、Ga元素对SnCu0.7无铅焊料抗氧化性的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)研究了氧化渣中的物相及元素分布。静态氧化实验表明:P能有效提高SnCu 0.7在270℃的抗氧化性,且随着P含量的增加,合金氧化渣量先减少后增加,P含量为10-4时氧化渣量最小;而添加Ga后焊料在270℃和400℃都具有良好的抗氧化性。动态氧化实验表明:P、Ga元素会在氧化渣中富集;添加P可以显著提高SnCu0.7的动态抗氧化行为,而添加Ga后产生粘渣降低了动态抗氧化性;P与Ga共同加入时,可形成Ga-P复杂氧化物存在于氧化渣中,从而抑制Ga的活性使焊料不产生粘渣;添加Ga能够提高SnCu0.7-100P的抗氧化温度,但是会加速P的消耗速率,从而降低合金的抗氧化时间。

温度及应变速率对SnCu0.7合金力学性能的影响

SnCu0.7合金作为最有潜力替代Sn-Pb焊料合金的材料之一,广泛应用于锡丝领域,对其塑形加工性能的研究越来越受关注。此次研究设计了不同试验温度和不同应变速率下SnCu0.7合金的力学性能试验,分析其对SnCu0.7合金断裂机制的影响。结果表明:(1)SnCu0.7合金在18±2℃试验温度下得到的数据波动较小,数据较稳定,试验误差较小;(2)应变速率增加,SnCu0.7合金的抗拉强度增加,延伸率先增大后减小,在18±2℃的试验温度下,在应变速率为0.003 s^(-1)时,抗拉强度达到最大,为39.13 MPa;在应变速率为0.002 s^(-1)时,延伸率达到最大,为53.68%;(3)在23±2℃的试验温度下,应变速率为0.001 s^(-1)时,SnCu0.7合金的断裂方式属于典型的韧性断裂,随应变速率的增加,断裂方式有从韧性断裂向解理断裂过渡的趋势;当应变速率为0.003 s^(-1)时,SnCu0.7合金的断裂方式属于以韧性断裂为主的韧脆混合断裂。

SnCu钎料镀层与Cu/Ni镀层钎焊接头的界面反应

观察了不同焊接工艺条件下钎焊接头界面的微观结构,并对钎焊过程中的界面反应进行分析。探讨了钎缝界面处IMC的生长机制,通过对不同钎焊温度和保温时间下的IMC生长规律的分析建立铜锡化合物厚度与温度和时间的关系方程。结果表明:钎焊过程中SnCu钎料合金镀层与可焊性Cu层的界面处生成金属间化合物Cu6Sn5和Cu3Sn;化合物的生长厚度与焊接时间之间满足抛物线关系,表明化合物的生长为扩散反应控制过程,并随焊接时间的延长化合物的生长速率逐渐下降。

温度对Ag颗粒增强SnCu基复合钎料蠕变性能的影响

采用1 mm2微型单搭接钎焊接头,研究了恒定应力下温度对Ag颗粒增强SnCu基复合钎料钎焊接头蠕变寿命的影响,研究结果表明:增强颗粒Ag与基体会发生冶金反应,在Ag颗粒周围形成了一薄层Ag-Sn金属间化合物,使增强颗粒Ag与基体紧密结合,从而使复合钎料钎焊接头蠕变寿命优于基体SnCu钎料;温度对复合钎料钎焊接头蠕变寿命影响较SnCu钎料明显。

SnCu钎焊接头稳态蠕变本构方程建立

以搭接面积为1mm^2微型单搭接钎焊接头为研究对象，采用新型高温蠕变测试装置，测定了SnCu钎焊接头应力指数n和蠕变激活能Q，构建了稳态蠕变本构方程，探讨了蠕变变形机制。结果表明，在低温高应力下，SnCu共晶钎料钎焊接头应力指数为8．73，激活能在59．1～63．2kJ／mol，位错攀移运动主要受位错管道扩散机制控制；在高温低应力区，SnCu共晶钎料钎焊接头应力指数为6．45，激活能在88．4～97．5kJ／mol，位错攀移运动主要由晶格自扩散机制控制。

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.

Ni元素对SnCu0.7焊料合金性能的影响

以SnCu0.7无铅焊料合金为基础,研究微量元素Ni含量对焊料合金微观组织、熔程、润湿性能的影响。将纯锡和中间合金Sn-10Cu和Sn-4Ni按质量比在270℃熔化,保温20min后搅拌均匀,浇铸冷却后制备成Sn-0.7Cu-xNi(x=0～0.09)焊料合金。通过光学显微镜(OM)观察焊料合金的显微组织,利用差示扫描量热分析仪(DSC)测定焊料合金熔点,采用润湿平衡法测定焊料的润湿性。结果表明,添加微量Ni可细化焊料组织,降低焊料合金的熔程,提高焊料的润湿性。在Ni含量为0.09%时,合金组织细化最为明显;在Ni含量为0.05%时,合金熔程最短,为4.6℃,且此时润湿性最大,润湿时间为0.71s、润湿力为1.03mN。

Creep behavior on Ag particle reinforced SnCu based composite solder joints

SnCu solder is one of the most promising substitutes of SnPb solder, but its creep resistance is worse than that of the other lead-free solders. Particle-reinforcement is a way to improve the creep resistance of solder alloys and cause much more attention than before. A novel Ag particles reinforced SnCu based composite solder is formed and the influence of stress on creep behavior of the composite solder is investigated. Results indicate that the creep resistance of solder joints is superior to that of the SnCu solder joints. Creep rupture lifetime of solder joints decreases gradually with stress increasing. And the creep rupture lifetime of the composite solder joints falls down faster than that of the matrix solder joints.

SnCu0.7焊料合金熔体精炼工艺研究

无铅锡基焊料合金熔炼工艺在生产过程中是很重要的工序,但是国内外缺乏这方面的研究。试验以SnCu0.7焊料合金作为研究对象,通过工艺物质对比试验,优选出"M物质"作为最佳熔剂,进一步通过正交试验和验证试验确定了熔体处理工艺参数,当温度为350℃,搅拌时间为30 min,"M物质"量为1 kg时,熔体处理后的SnCu0.7焊料合金渣率低至1.018%。

微量Ag对Sn0.7Cu力学性能影响

SnCu共晶钎料在波峰焊领域被公认为SnPb共晶及近共晶钎料的最佳替代合金之一,但其熔点高,力学性能不良。本文采用合金化原理,在Sn0.7Cu合金中添加微量的Ag形成SnCuAg三元合金来改善合金性能。结果表明:当Ag质量分数小于0.2%时,随Ag含量增加,SnCuAg钎料抗拉强度和剪切强度逐渐提高;当Ag质量分数为0.2%时,SnCuAg抗拉强度较基体提高35.5%,剪切强度较基体提高46.5%。当Ag质量分数大于0.2%时,钎料合金的力学性能有所下降,这主要与新相Ag3Sn弥散强化作用及母材界面金属间化合物有关。

Cu-Ni/Solder/Ni-Cu互连结构的电迁移

采用Cu-Ni/Solder/Ni-Cu互连结构,在加载的电流密度为0.4×104A/cm2的条件下,得到了界面阴极处金属原子的电迁移.数值模拟揭示了其原因是由于凸点互连结构的特殊性,电子流在流经凸点时会发生流向改变进而形成电流聚集,此处的电流密度超过电迁移的门槛值,从而诱发电迁移.运用高对流系数的热传导方法降低了互连焊点的实际温度,在电迁移的扩展阶段显著减小了高温引起的原子热迁移对电迁移的干扰;因此电迁移力是原子迁移的主要驱动力.在电迁移的快速失效阶段,原子的迁移是热迁移和电迁移共同作用的结果:电迁移力驱动阴极处原子的迁移,造成局部区域的快速温升,从而加剧此处原子的热迁移.

微量Ni对Sn0.7Cu钎料物理性能及钎焊工艺性能影响

SnCu共晶钎料是公认的SnPb钎料最具潜力替代品,尤其在波峰焊上,但与其他无铅钎料相比,该钎料物理性能及铺展性能差,严重影响其广泛应用。本文通过在Sn0.7Cu合金基础上添加微量Ni来改善合金性能。结果表明:随Ni含量(w(Ni)<0.7%)增加,Sn0.7Cu钎料熔点逐渐增加,但变化不大,当w(Ni)0.7%时,钎料Sn0.7Cu0.7Ni的熔点较基体钎料提高了2.8℃;Ni含量对Sn0.7Cu合金导电性能会产生一定影响,随Ni含量增加,电阻率逐渐降低,当w(Ni)0.7%时,Sn0.7Cu0.7Ni合金电阻率较基体钎料降低16.7%;同时,在Sn0.7Cu添加微量Ni会明显改善钎料合金铺展性能,当w(Ni)0.1%时,Sn0.7Cu0.1Ni合金铺展面积最大,较基体钎料提高1倍,这主要与形成的新相Ni3Sn4及钎料与基板件金属间化合物状态有关。

基于神经网络的波峰焊用钎料改性研究

采用6×24×8×2四层拓扑结构，以Bi含量、In含量、Sr含量、Ag含量、y含量和Ce含量为输入层参数，设计最多五元的波峰焊用SnCu基钎料合金，以可焊性和熔点为输出层参数，构建了波峰焊用钎料神经网络改性研究模型，并进行了试验验证、组织分析和性能测试。结果表明，该神经网络的预测精度较高，可焊性预测值相对误差在1.7～2.9%之间、熔点预测值相对误差在1.5～2.8%之间，优化钎料合金Sn-0.7Cu-0.9Bi-0.2In-0.4y可焊性好、组织致密、熔点较Sn99.3Cu0.7钎料熔点下降了近20℃。

无铅焊料的选择与对策

本文通过大量的数据信息分析了各研究机构在无铅焊料方面的研究成果，在目前流行使用的无铅焊料的基础上，进一步研究并比较了其中的Sn—Cu系列与具有专利限制的SnAgcu系列焊料在消费类电子产品组装的波峰焊工艺中使用的可靠性，同时研究并比较Sn—Ag系列焊料与SnAgcu系列焊料在回流焊工艺使用的情况。结果表明，Sn—Cu共晶焊料在消费类电子产品组装的波峰焊工艺中完全可以取代Sn-Ag-Cu系列焊料，同时满足使用要求；而同样技术成熟的Sn—Ag共晶焊料也完全可以取代SnAgCu系列焊料在回流焊工艺使用，焊点的可靠性与成本可以媲美SnAgcu焊料，而且该二元合金在使用维护以及回收利用方面具有相当的优势。因此，国内相关企业应大力推动使用无专利限制的SnAg与SnCu共晶焊料，以改变国外专利产品在电子制造领域的统治地位，使我国企业在无铅化电子制造的潮流中占有一席之地.