复合钎料钎焊接头热疲劳显微组织与残余力学性能研究

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1、摘要传统sn．Pb钎料具有良好的润湿性和较低的熔化温度，曾是电子封装材料的首选。由于铅是有毒元素，特别是欧盟等国家和地区关于电子产品的WEEE和RoHs指令的出台，无铅化的呼声越来越高。另外，随着电子产品微型化发展，焊点尺寸随之减小，作为支撑、通电和散热媒介，焊点所承受的力学、电学和热力学载荷越来越重。由此产生的一些问题，如蠕变、热疲劳以及电迁移等突显出来，这就要求无铅钎料具有较高的服役可靠性。目前无铅钎料改性研究主要集中在两个方面，一是合金化，另一方面是制备复合钎料。本文通过外加法向sn．3．5Ag焊膏中加入体积分数为10％的微米级Cu、Ni颗粒制备了复合钎料。首先对复合钎料的显

2、微组织、力学性能以及润湿性能进行了研究；重点研究了复合钎料钎焊接头热疲劳作用后显微组织的演变，表面损伤的积累及热疲劳后的残余力学性能。主要的研究结果表明：复合钎料的显微组织中，在增强颗粒周围以及基板界面处生成了金属间化合物，其形态以及大小因加入颗粒而不同；Cu、Ni颗粒在sn基体中的扩散系数以及Cu-Sn与Ni．sn的激活能不同是造成显微组织差异的主要原因。颗粒的加入提高了钎料钎焊接头的剪切强度，其中Cu颗粒增强的复合钎料钎焊接头的剪切强度比Sn-3．5Ag的接头提高_]r33％，Ni颗粒增强的复合钎料接头提高了20％；熔融钎料流动性变差导致显微组织中的气孔是剪切强度下降的主要原因

3、。在润湿性方面，两种复合钎料的铺展面积均比Sn-3．SAg钎料下降了约15％，其中cu颗粒增强的复合钎料其润湿角由11。增加到18。。在sn．3．5AgpA及Cu颗粒增强复合钎料钎焊接头表面均观察到热疲劳损伤，在Sn-3．SAg显微组织中，热疲劳裂纹沿着界面萌生，并且以450角扩展到钎料内部；而Cu颗粒增强的复合钎料中，大部分裂纹只是沿着钎料及金属间化合物界面扩展而没有延伸到钎料内部；钎料内部，在cu增强颗粒与其周围的金属间化合物之间观察到了热疲劳裂纹，一定程度上释放了热应力，改善了接头的应力状态。Ni颗粒增强的复合钎料表面没有出现熟疲劳裂纹，显示了较好的耐热疲劳的能力。本文研究了

4、不同热冲击速度对Cu颗粒增强复合钎料显微组织的影响，结果显北京工业大学工学硕士学位论文示较快的冲击速度下，金属间化合物／钎料界面热疲劳损伤更加严重；亓iiCu增强颗粒与其周围的金属间化合物的损伤，在冲击速度较慢的情况下反而严重，主要原因可能是冲击速度较低时，低温停留时间更长，对CIl增强颗粒与其周围的金属间化合物的损伤更加严重。对热疲劳钎焊接头的残余力学性能进行了研究，接头的剪切强度随着热循环的进行逐渐降低，在前100周期下降最快，在随后的热循环过程中下降速度逐渐降低，趋于平缓。在冲击速度较快的情况下，钎料的残余剪切强度下降更快，但下降趋势同较慢冲击速度相似。关键词无铅复合钎料；热

5、疲劳；显微组织：残余力学性能；可靠性ABSTRACTABSTRACTTraditionalSnPbsolderwasthepdorityofelectronicpackagingmaterialsforitsbetterwetabilityandlowermeltingtemperature．Becauseleadisatoxicdement,especiallytheWEEEandRoHsWasannouncedinEueropeUnionandothercountriesandarea,lead-freetrendbecomesmoreandmoreobvious．Beside

6、s。solderjointsbecomesmallerastheminiaturizationofelectronics．Asthemediumofsupport,electrifyandcooling,solderjointsenduredmuchmoremechanical，electricalandthermalload．Problemssuchasereep，thermalfatigueandeleetromigrationwereoccurred,whichrequiredhigherservicereliabilityforlead-freesolder．Twomean

7、sofimpreovmentwereusedforlead—freesolderatpresent．OneWasalloying,theotherWascompositing．Inthisresearch,compositesolderswerefabricatedbymechanicallymixingtheSn一3．5Agsolderpastewimmicronscaleof10v01％CuandNiparticles．Mierostructure，mechani