Sn-9Zn钎料蠕变性能及其复合增强研究

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1、摘要摘要由于国际上有关环境保护法规的出现，各国均加紧开展无铅钎料的研发和可靠性研究。虽然当前主流的替代传统电子钎料的无铅钎料是共晶或近共晶的Sn-Ag-Cu系合金，但共晶Sn-Zn系合金Sn．9Zn因其低廉的成本、较低的熔点和良好的力学性能等明显优点而受到许多研究者的密切关注。为满足电子工业不断增长的对可靠性的要求，确保其能在服役过程中可靠运行，新型的无铅钎料不仅要具有良好的工艺性能，也要有更高的力学性能，特别是抗蠕变及疲劳蠕变性能。无铅钎料的蠕变性能因此而尤为重要。本文选择Sn．9Zn钎料合金作为研究对象，主要内容包括：建立和验证了一种激光弯折蠕变测试装置和测试方法：通过弯

2、折蠕变实验，确定了Sn-9Zn钎料合金的蠕变应力指数与激活能，建立了反映稳态蠕变速率与温度和应力之间关系的本构方程；作为比较，研究了不同冷却方式下Sn-9Zn钎料合金与Sn-40Pb及Sn．3．5Ag一0．7Cu的抗蠕变性能；基于本课题组前期的新型助焊剂研究工作，考察了不同助焊剂条件下Sn．9Zn／Cu焊点的结合强度和蠕变性能；提出了原位生长金属间化合物颗粒复合增强的设想和制备方法，并就此进行了多方面的研究，包括Cu与Sn-9Zn钎料合金熔体的反应动力学研究、金属问化合物颗粒复合增强钎料的原位生长制备、原位生长金属间化合物复合增强对Sn．9Zn钎料合金显微组织，润湿性、拉伸性

3、能以及蠕变性能的影响。研究取得了如下主要结果和认识进展：l、所设计的弯折蠕变测量装置有效可靠，测得结果能够真实反映蠕变规律，能够用于直接比较不同材料的蠕变性能；用所测得的数据还能够得到材料的蠕变性能参数：应力指数和激活能，从而构建材料的蠕变本构方程。2、Sn．9Zn钎料合金蠕变变形行为分两个应力区，分别对应不同的蠕变特征：在低应力区对应较低的应力指数，其蠕变主控机制为晶界滑移；在高应力区的应力指数要高得多，位错攀移成为蠕变主控机制。3、两种冷却方式下三种钎科合金的相对抗蠕变强度为Sn-40Pb

4、化，其结果使Sn-3．5Ag一0．7Cu的抗蠕变性能显著提高，却使Sn．9Zn的抗蠕变性能有所降低。摘要4、就Sn一9ZrgCu焊点剪切强度以及剪切蠕变强度而占，新型助焊剂中二氯化锡活化剂的添加量有一个最佳水平，约为5％wt。在这一水平下制得的焊点在剪切实验中呈良好韧性断裂模式；实验还显示：焊剂中较高的松香浓度明显有益于Sn-9Zn／Cu焊点的抗剪切蠕变强度，而对其瞬时剪切强度影响不大。5、Sn一9Zn熔体／Cu界面上形成CusZn8化合物层，其生长增厚动力学接近抛物线特征，受界面曲率影响，较大的曲率对化合物层生长呈现一定的抑制作用。在反应初期此化合物生长速率较快，有利于作为

5、原位生长颗粒增强相。6、采用向Sn一9Zn钎料合金熔体添加铜粉的方法得到了原位生长金属间化合物颗粒增强Sn-Zn基复合钎料。在钎料中形成了均匀分布Cu5zn8化合物颗粒相；力学性能测试结果显示复合钎料的强度和塑性都得到了改善，抗蠕变性能显著提高：润湿性测量发现复合钎科对铜的润湿性也有所改善。Cu粉添加量为0．5％wt时具有最佳的强度和塑性。关键词：无铅钎料；Sn-9Zn；蠕变；本构方程；颗粒增强IIABSTRACTTheresearchofdevelopinglead—freesoldersandinvestigatingtheirreliabilityislaunchedw

6、orldwidebecauseofenvironmentrelatedregulationsandthehighintegrationofmicroelectronics．Eutecticandnear-eutecticSn-Ag·Cualloyshavebeenregardedasthemostpromisingcandidateoflead—freesolders．However,eutecficSn一9ZnhasalsogainedmuchattentionbecauseofitslowcosLfavorablemeltingpointandgoodmechanical

7、propeaies．Tomeettheincreasinglysevererequirementforreliabilityofelectronicsproductsinordertoensuretheirsteadyoperatinginservice，newlead-freesoldersshouldhavenotonlyappropriateprocesswindow,butalsobettermechanicalproperties，．especiallyfatigueandcreepresis