微纳Ni、Co颗粒增强Sn-Cu-Ag亚共晶钎料的研究

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在当前全球无铅化电子封装的背景下,低银Sn-Ag-Cu亚共晶钎料以其成本较低而备受关注,被认为是极具发展空间和应用前景的无铅合金之一。但是,低银Sn-Ag-Cu亚共晶钎料有着熔化温度较高、润湿性较差等缺点。最近的研究发现,在无铅钎料中加入一定量的惰性纳米颗粒可以改善无铅钎料的某些性能,因而本课题以纳米Ni、Co颗粒为增强颗粒,以Sn-0.68Cu-0.45Ag为基体,利用表面活性剂辅以低温机械搅拌,成功制备不同含量的纳米Ni、Co颗粒复合钎料。并在此基础上系统地研究了纳米Ni、Co颗粒对Sn-0.68Cu-0.45Ag的力学性能、熔化特性、润湿和铺展性能的影响,着重研究了Ni、Co颗粒对界面IMC层的影响规律。结果表明:(1)添加纳米Ni、Co颗粒之后,钎料组织的初生β-Sn得到了不同程度的细化,共晶组织分布更加均匀;在β-Sn相中分别生成了细小的(Cu,Ni)6Sn5、(Cu,Co)6Sn5化合物,高倍放大可以分别发现纳米和微米级别的Sn-Ni、Sn-Co二元化合物,这些颗粒弥散分布在基体钎料中,起到弥散强化和位错强化的作用。(2)添加适量的纳米Ni、Co颗粒可以显著地提高基体钎料的抗拉强度。当添加0.5wt%的纳米Ni、Co颗粒之后,钎料的抗拉强度分别提高了20.8%和29.0%;但同时,Ni、Co的添加,也使得钎料的韧性下降,体现在延伸率的逐渐减小。(3)添加适量的纳米Ni、Co颗粒可以在一定程度上改善基体钎料的熔化特性,显著的提高了基体钎料的润湿性能以及铺展性能。当加入0.1wt%的纳米Ni颗粒之后,钎料的熔化温度下降了4.1℃,熔程只增加了1℃;而纳米Co颗粒对钎料的熔化特性影响轻微。当加入0.5wt%的纳米Ni、Co颗粒之后,最大润湿力分别增加了7.8%和3.1%,润湿时间分别缩短了39.1%和49.8%,铺展率分别增加了18.1%和10.0%。(4)添加纳米Ni、Co颗粒之后,和Cu基板形成的界面IMC层明显变厚,而且IMC形貌由圆贝状向层状组织过渡,同时在IMC边界上呈现出花瓣状的形貌。在长时间高温时效条件下,添加Ni、Co颗粒的复合钎料和Cu基板界面IMC由于更加致密,其生长速度低于基体钎料和Cu基板所形成的界面IMC。(5)将1.0wt%的纳米Ni颗粒与基体钎料充分合金化后,发现其性能与同成分复合钎料差异较大。较基体钎料而言,抗拉强度降低了36.5%,延伸率增大了48.0%,体现出与复合钎料相反的变化趋势;钎料合金的润湿性能明显低于基体钎料,同时其熔程较基体钎料增加了5.7℃。进一步证明了复合后纳米颗粒在基体钎料中的存在。
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