復(fù)合釬料釬焊接頭熱疲勞顯微組織與殘余力學(xué)性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)Sn-Pb釬料具有良好的潤(rùn)濕性和較低的熔化溫度，曾是電子封裝材料的首選。由于鉛是有毒元素，特別是歐盟等國(guó)家和地區(qū)關(guān)于電子產(chǎn)品的WEEE和RoHs指令的出臺(tái)，無(wú)鉛化的呼聲越來(lái)越高。另外，隨著電子產(chǎn)品微型化發(fā)展，焊點(diǎn)尺寸隨之減小，作為支撐、通電和散熱媒介，焊點(diǎn)所承受的力學(xué)、電學(xué)和熱力學(xué)載荷越來(lái)越重。由此產(chǎn)生的一些問(wèn)題，如蠕變、熱疲勞以及電遷移等突顯出來(lái)，這就要求無(wú)鉛釬料具有較高的服役可靠性。 目前無(wú)鉛釬料改性研究主要集中在兩個(gè)方

2、面，一是合金化，另一方面是制備復(fù)合釬料。本文通過(guò)外加法向Sn-3.5Ag焊膏中加入體積分?jǐn)?shù)為10％的微米級(jí)Cu、Ni顆粒制備了復(fù)合釬料。首先對(duì)復(fù)合釬料的顯微組織、力學(xué)性能以及潤(rùn)濕性能進(jìn)行了研究；重點(diǎn)研究了復(fù)合釬料釬焊接頭熱疲勞作用后顯微組織的演變，表面損傷的積累及熱疲勞后的殘余力學(xué)性能。主要的研究結(jié)果表明： 復(fù)合釬料的顯微組織中，在增強(qiáng)顆粒周?chē)约盎褰缑嫣幧闪私饘匍g化合物，其形態(tài)以及大小因加入顆粒而不同；Cu、Ni顆粒在Sn

3、基體中的擴(kuò)散系數(shù)以及Cu-Sn與Ni-Sn的激活能不同是造成顯微組織差異的主要原因。顆粒的加入提高了釬料釬焊接頭的剪切強(qiáng)度，其中Cu顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料釬焊接頭的剪切強(qiáng)度比Sn-3.5Ag的接頭提高了33％，Ni顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料接頭提高了20％；熔融釬料流動(dòng)性變差導(dǎo)致顯微組織中的氣孔是剪切強(qiáng)度下降的主要原因。在潤(rùn)濕性方面，兩種復(fù)合釬料的鋪展面積均比Sn-3.5Ag釬料下降了約15％，其中Cu顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料其潤(rùn)濕角由11°增加到18°

4、。 在Sn-3.5Ag以及Cu顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料釬焊接頭表面均觀察到熱疲勞損傷，在Sn-3.5Ag顯微組織中，熱疲勞裂紋沿著界面萌生，并且以45°角擴(kuò)展到釬料內(nèi)部；而Cu顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料中，大部分裂紋只是沿著釬料及金屬間化合物界面擴(kuò)展而沒(méi)有延伸到釬料內(nèi)部；釬料內(nèi)部，在Cu增強(qiáng)顆粒與其周?chē)慕饘匍g化合物之間觀察到了熱疲勞裂紋，一定程度上釋放了熱應(yīng)力，改善了接頭的應(yīng)力狀態(tài)。Ni顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料表面沒(méi)有出現(xiàn)熱疲勞裂紋，顯示了較好的耐

5、熱疲勞的能力。 本文研究了不同熱沖擊速度對(duì)Cu顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料顯微組織的影響，結(jié)果顯示較快的沖擊速度下，金屬間化合物/釬料界面熱疲勞損傷更加嚴(yán)重；而Cu增強(qiáng)顆粒與其周?chē)慕饘匍g化合物的損傷，在沖擊速度較慢的情況下反而嚴(yán)重，主要原因可能是沖擊速度較低時(shí)，低溫停留時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)Cu增強(qiáng)顆粒與其周?chē)慕饘匍g化合物的損傷更加嚴(yán)重。對(duì)熱疲勞釬焊接頭的殘余力學(xué)性能進(jìn)行了研究，接頭的剪切強(qiáng)度隨著熱循環(huán)的進(jìn)行逐漸降低，在前100周期下降最快，在隨