Cu-Sn漩涡相的形成及其对镀锡铜板超声波钎焊接头性能的影响

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以往的研究表明,在不同体系的金属材料超声点焊过程中,剧烈的物理化学变化会导致漩涡状或者网状反应相的形成。然而,这种特殊的漩涡结构的成型机制及其对超声波焊接接头性能的影响方面的研究依然不够系统。特别是在Cu/Sn的超声波焊接研究中,很少发现或讨论过类似漩涡的结构。本文选用电子封装领域最基础的Cu/Sn体系金属材料进行超声波点焊实验。首先采用Cu/Sn箔/Cu三明治结构进行超声波焊接,确定了最佳焊接工艺参数为100-400 J,得到结合能力良好的接头;对接头力学性能和界面组织成分进行了分析,确定接头界面出现漩涡相的临界焊接能量值为300 J。随后调整工艺参数在铜基板表面电镀厚度约为50μm的纯锡层,直接将镀锡层作为夹层钎料进行超声波焊接实验,在同等焊接工艺参数下得到超声波焊接接头,与Cu/Sn箔/Cu焊接接头进行了对比,当焊接能量超过300 J时同样发现了以Cu6Sn5和Cu3Sn为主要组成成分的漩涡相。最后采用化学镀锡工艺在铜基板表面镀上一层厚度约为10μm的纯锡层,在不同焊接能量条件下(300-400 J)同样也观察到了类似漩涡状的相。研究了不同焊接能量的T2镀锡铜板在超声焊接中的接头界面组织形貌和成分分布情况;计算了焊接过程中铜在锡中的扩散系数和界面焊接过程的峰值温度,采用热电偶测温的方法验证了界面峰值温度的变化规律;探讨了类漩涡相的形成机理;研究了接头性能与焊接能量的关系。结果表明,从平整区域到漩涡区域,Cu3Sn相的含量逐渐增加,Cu6Sn5相的含量逐渐减少,Cu和IMCs的晶粒在漩涡区域及其临近区域附近发生了细化现象。扩散系数的大幅度提高表明Cu/Sn界面在焊接过程中发生了剧烈的原子扩散。当焊接能量超过300 J时,实验测得的焊接过程峰值温度高于理论测量的温度值。漩涡相的形成是由于界面应力的不均匀分布和空化气泡的坍塌破灭综合作用造成的。当焊接能量达到400 J时,焊接试件的峰值搭接剪切载荷达到1008 N,相应的断裂形式表现为韧性和脆性的综合特征。
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