论文部分内容阅读
电子工业已经成为科学技术、先进制造业以及整个经济发展的重要基础。表面组装技术(SurfaceMountTechnology),即SMT,是当代最先进的电子产品组装技术。随着电子产品的小型化,服役环境的严酷,产品可靠性要求的提高,人们对电子钎料性能提出了越来越高的要求。
颗粒增强是改善合金性能的有效方法之一。通过在电子钎料中加入外加增强颗粒,形成颗粒增强复合钎料,不仅可以保持原有基体钎料优良的物理性能,而且可以改善钎料的力学性能,尤其是抗蠕变性能。
本研究以63Sn37Pb和99.3Sn0.7Cu共晶钎料作为基体钎料,通过添加微细金属颗粒(1μmAg、1μmNi和8μmCu)形成颗粒增强复合钎料。研究了增强颗粒对复合钎料物理性能、力学性能及钎焊工艺性能的影响,优选出63Sn37Pb和99.3Sn0.7Cu两类复合钎料的最佳增强体。研究表明:对于颗粒增强63Sn37Pb复合钎料,Ni(5vol%)颗粒增强复合钎料的蠕变抗力最好,但其铺展性能差和剪切强度低;Cu(5vol%)颗粒增强复合钎料的铺展性能和力学性能均优于基体钎料,钎焊接头蠕变寿命显著提高;Ag(5vol%)颗粒增强复合钎料的铺展性能及力学性能与Cu颗粒增强复合钎料相当,但成本较高。因此,对于颗粒增强63Sn37Pb复合钎料而言,Cu颗粒为最佳增强体。对于颗粒增强99.3Sn0.7Cu无铅基复合钎料而言,Ni(3vol%)颗粒增强复合钎料铺展性能差,Cu(3vol%)颗粒增强复合钎料的铺展性能和抗蠕变性能均不如Ag(3vol%)颗粒增强复合钎料,因此对于颗粒增强99.3Sn0.7Cu无铅复合钎料,Ag颗粒为最佳增强体。增强颗粒体积分数对复合钎料性能有不同影响。研究表明:对于Cu颗粒增强63Sn37Pb复合钎料而言,Cu颗粒最佳含量为1vol%;对于Ag颗粒增强99.3Sn0.7Cu无铅基复合钎料,Ag颗粒最佳含量为5vol%。
稳态蠕变本构方程反映了稳态蠕变速率与温度和应力之间的本构关系。本研究采用微钎焊接头高温蠕变应变测试装置,测定了不同温度和应力下Cu(1vol%)颗粒增强63Sn37Pb复合钎料和Ag(5vol%)颗粒增强99.3Sn0.7Cu无铅基复合钎料及相应基体钎料钎焊接头的稳态蠕变速率,建立了新的稳态蠕变本构方程。该方程考虑了温度和应力对应力指数和蠕变激活能的影响。同时,通过对试验所得的Cu颗粒增强63Sn37Pb复合钎料、Ag颗粒增强99.3Sn0.7Cu无铅基复合钎料及其基体钎料钎焊接头表观蠕变激活能(ApparentActivationEnergyofCreep)的修正,得出了真实蠕变激活能(TrueActivationEnergyofCreep)。结果表明,在高温低应力条件下,钎焊接头应力指数在3.2~8.3之间,真实蠕变激活能与基体的晶格自扩散激活能接近,位错的攀移运动由晶格自扩散速率控制;在低温高应力条件下,钎焊接头应力指数在4.8~10.9之间,软钎焊接头真实蠕变激活能与基体的位错管道激活能接近,位错的攀移运动由位错管道扩散速率控制。
钎焊接头蠕变寿命是评定钎焊接头使用性能的重要指标之一。本研究采用微钎焊接头,在恒温恒拉剪应力条件下,研究了温度、应力对Cu(1vol%)颗粒增强63Sn37Pb复合钎料和Ag(5vol%)颗粒增强99.3Sn0.7Cu无铅基复合钎料及相应基体钎料钎焊接头蠕变寿命的影响。研究表明:在相同试验条件下,复合钎料钎焊接头蠕变寿命均较相应基体钎料长;与相应基体钎料相比,随着温度的升高应力的增大,复合钎料钎焊接头的蠕变寿命下降快。
最后,本研究从微观机理上,研究了增强颗粒对复合钎料钎焊接头蠕变性能的影响。研究表明:Cu颗粒增强63Sn37Pb复合钎料及其基体钎料钎焊接头蠕变断裂均沿Cu基板表面的η相与钎焊金属之间的界面开裂。能谱分析表明,该层为富Pb相,是蠕变断裂裂纹产生的根源。同时分析了Cu颗粒对富Pb层影响,揭示了Cu颗粒对复合钎料钎焊接头蠕变性能的强化作用;Ag颗粒增强99.3Sn0.7Cu无铅基复合钎料钎焊接头的蠕变裂纹存在于钎焊金属内部,主要通过颗粒增强和细化晶粒,使复合钎料力学性能得到改善,钎焊接头蠕变寿命大幅度提高。