（材料加工工程专业论文）热输入对锡银基复合钎料基体中金属间化合物形态的影响.pdf

摘要 摘要 在钎料中添加增强颗粒制备复合钎料是一种提高普通钎料性能的高效途径， 以往的研究中发现，在n i 颗粒增强的s n a g 基钎料中通过不同的工艺条件可以 生成两种金属间化合物，一种是向日葵状金属间化合物，另一种是多边形状金属 间化合物。本研究发现，其中热输入量在影响组织发展的过程中起到了决定性的 作用。本研究定义熔点以上的保持时间t 和峰值温度与熔点温度差a t 为热输入 的关键因素。 本研究重点研究了n i 颗粒周围金属间化合物的组织形态与热输入量的关 系，研究中通过不同的工艺来改变作用于钎料的热输入量，以摸索热输入量对于 组织形态的影响。这些工艺包括恒定的冷却速率下，不同的加热速率；恒定的加 热速率下，不同的冷却速率；不同的峰值保温时间；多次再流；不同温度及不同 时间的时效等。以此为基础研究了n i 颗粒周围的金属间化合物形态以及钎料 基板界面层处金属间化合物的发展。n i 颗粒周围的金属间化合物随着热输入量 的增加从向日葵状、瓣状合并、多边形状到短棒状拱出发展，最终当大量的热输 入作用后，生成大量遍布钎料的细碎颗粒。在钎料基板界面层处，由于n i 颗粒 的加入，形成大量类似孔洞状结构，而这些孔洞结构的成分实际是c u - n i s n 金 属间化合物。 本研究还将复合钎料与s n 3 5 a g 共晶钎料进行界面层厚度的对比。由于复 合钎料界面层的特殊结构，其界面层厚度增加趋势和共晶钎料是不同的。随热输 入量增加，界面层厚度增加速度首先降低，然后呈现线性增长，但在可预见的后 续反应中，当n i 元素反应完毕后，界面层厚度增长速度会继续下降。 关键词复合钎料；金属间化合物；热输入；镍颗粒 a b s 下r a c t a bs t r a c t p a r t i c l e - r e i n f o r c e m e n ta d d i t i o nt os o l d e r sp r o v i d e sa l le f f e c t i v ew a yo f i m p r o v i n gt h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so fs o l d e rj o i n t s e a r l i e rs t u d i e so nn ip a r t i c l e r e i n f o r c e ds n - 3 5 a gb a s e dc o m p o s i t es o l d e rh a v er e v e a l e dt h a tt h em o r p h o l o g yo f i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ( i m c ) l a y e r sa r o u n dn ir e i n f o r c e m e n t p a r t i c l e se x h i b i t e d e i t h e r s u n f l o w e r o r b l o c k yf a c e t e d s h a p e sd e p e n d i n go nd i f f e r e n tp r o c e s s i n g c o n d i t i o n s t h ea m o u n to f t h e r m a li n p u tw a sf o u n dt op l a yas i g n i f i c a n tr o l ei nt h e f o r m a t i o no ft h ed i f f e r e n tm o r p h o l o g yo ft h ei m c t h eh o l dt i m e 叩a n dt h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e a t a b o v et h es o l d e rm e l t i n gp o i n tw e r ed e f i n e da s t h e t h e r m a li n p u t ”i ns o l d e r i n g , a g i n go ro t h e rp r o c e s s i nt h ec u r r e n tr e s e a r c h , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h em o r p h o l o g yo fi m c s a r o u n dn ip a r t i c l e sa n dt h ea m o u n to ft h e r m a li n p u ta p p l i e dt on i p a r t i c l e r e i n f o r c e d c o m p o s i t es o l d e rj o i n tw a si n v e s t i g a t e d d i f f e r e n tt h e r m a li n p u tw a sp r o v i d e db y v a r i a t i o no f h e a t i n ga n dc o o l i n gr a t e sd u r i n gt h ef a b r i c a t i o no fs o l d e rj o i n t s m u l t i p l e r e f l o wa n di s o t h e r m a la g i n ge x p e r i m e n tw a sa l s oc a r r i e do u tt og e n e r a t ee q u i v a l e n t a m o u n tt h e r m a li n p u tt h a tc a u s e sd e s i r e di m c m o r p h o l o g y t h ee v o l u t i o no ft h e m o r p h o l o g i e so fi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ( i m c ) b o t ha r o u n dn ip a r t i c l e sa n da tt h e s o l d e r c us u b s t r a t ei n t e r f a c ei ns n - a gb a s e dn i c k e lp a r t i c l er e i n f o r c e d1 e a d f l e e c o m p o s i t es o l d e rw a si n v e s t i g a t e d t h ei m c sd e v e l o p e df r o m “s u n f l o w e r ， p e t a l c o m b i n a t i o n ”， b l o c k y t os h o r tb a ra r c h e dm o r p h o l o g yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e r m a l i n p u ta n de v e n t u a l l ys p r e a da l lo v e rt h eb u l ks o l d e rr e g i o n s i g n i f i c a n ta m o u n to f t h r e e - d i m e n s i o n a l h o l l o w c o n s t u c t i o ni m c sw a so b s e r v e di nt h em i c r o s t r u c t u r ed u e t ot h ea d d i t i o no fn ip a r t i c l e s ，w h i c hi sc o n s i d e r e dt os e r v ea se f f e c t i v ep a t h sf o rc u d i f f u s i o n i nt h i s h o l l o w t h ei m c sw a sc u n i s n t h et h i c k n e s s e so ft h ec o m p o s i t es o l d e ri n t e r f a c ew e r ec o m p a r e dw i 【t ht h e s n - 3 5 a ge u t e c t i cs o l d e r b e c a u s eo ft h es p e c i a lc o n f i g u r a t i o no ft h ec o m p o s i t es o l d e r i n t e r f a c el a y e r , i t si n c r e a s i n gt r e n do ft h ei n t e r f a c el a y e r st h i c k n e s sw a ss od i f f e r e n t f r o mt h es n 一3 5 a ge u t e c t i cs o l d e r i nt h eb e g i n n i n g ，t h et h e r m a li n p u ta m o u n ti ss m a l l ， t h eg r o w t hr a t eo fi n t e r r a c i a li m cl a y e rs l o w e dd o w nw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e r m a l i m p u t a f t e ras h o r tp e r i o & t h et h i c k n e s si n c r e a s e dl i n e a r l y h o w e v e rt h eg r o w t hr a t e o ft h ei m ct h i c k n e s sw i l le v e n t u a l l yd e c r e a s ea f t e rn ic o m p l e t e dr e a c tw i t ht h e f o r m e dc u s ni m c i i i 北京t 业人学t 学硕f ：学位论文 k e yw o r d sc o m p o s i t es o l d e r ；i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ；t h e r m a li n p u t ；n i c k e lp a r t i c l e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲班眺巫江 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：铷导师签名：蔓日期：堑殳正 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 钎料发展的无铅化 在以往的数十年中，电子工业广泛利用锡铅钎料实现电子封装中的各级焊 接，其中s n p b 共晶钎料由于具有廉价、易焊接、物理、力学和冶金性能好等特 点在元器件和印制电路板的连接中得到广泛应用，然而，现在无铅时代的到来结 束了拥有几千年历史的s n p b 生命，归结原因，其驱动力有如下三个方面： p b 对人体健康和环境的危害铅是危害人体的元素，随着在人体内蓄积量 的增加会对健康造成危害，人体通过呼吸、进食、皮肤吸收等都有可能吸收铅或 其化合物，铅被人体器官摄取后，将危害人体中枢神经，造成精神混乱、呆滞、 生殖功能障碍、贫血、高血压等慢性疾病。铅对儿童的危害更大，会影响智商和 正常发育【l 】，因此，美国环保局认为p b 及含p b 物质是对人类健康和环境最具有 危害性的l7 种有毒化学物质之一。电子工业中大量使用的s n p b 合金钎料是造 成污染的重要来源之一，在制造和使用s i 竹b 钎料的过程中，由于熔化温度较高， 有大量的铅蒸汽逸出，将直接严重影响操作人员的身体健康，波峰焊设备在工作 中会产生的大量的富铅钎料废渣，对人类生态环境污染极大【2 】。近年来有关地下 水中铅的污染更引起了人们的关注。随着电子产品的报废，丢弃的各种电子产品 p c b 板上所含的铅也不容忽视。以美国为例，每年随电子产品丢弃的p c b 约一 亿块，按每块含s n p b 钎料1 0 克，其中铅含量为4 0 算，每年随p c b 丢弃的铅 量即为4 0 0 吨，当下雨时这些铅变成溶于水的铅盐，逐渐溶解污染水源，特别是 在遇酸雨时，雨中所含的硝酸和盐酸，更促使铅的溶解，若人们饮用受到铅污染 的地下水，随着时间的延长，铅在人体内的积累，就会引起铅中毒【3 ，4 1 。 立法的压力和市场需求二十世纪九十年代初，由美国国会提出了关于铅的 限制法案，目前，美国己在汽车、汽油、罐头、自来水管等生产和应用中禁止使 用铅和含铅物质，但在电子产品中禁止使用含铅钎料进展缓慢。欧洲和日本等发 达国家对钎料中限制铅的使用也很关注，并花大气力进行电子产品无铅化的研究 开发工作【5 】。2 0 0 3 年2 月1 3 日，欧盟官报o j l 0 3 7 正式公表：历经5 年讨论的 w e e e 和r o l l s 正式开始生效，其核心内容是白2 0 0 6 年7 月1 日起在欧洲市场 上销售的电子产品必须是无铅产品，同时各成员国必须在2 0 0 4 年8 月1 3 日之前 完成相应的立法工作。在日本，“家用电子回收法案”强调了对铅的限制和循环， 包括n e c ，p a n a s o n i c ，s o n y , t o s h i b a 在内的绝大多数公司在2 0 0 1 年就开始转向无 铅技术在无铅钎料的研制和开发【6 ，7 1 。为顺应环保和国际市场的要求，2 0 0 3 年3 月，中国信息产业部经济运行司拟定了电子信息产品生产污染防治管理办法 【8 】。而中国的r o l l s 标准也在2 0 0 6 年1 1 月6 日发布，其中“电子信息产品中有毒 有害物质的限量要求( s j t11 3 6 3 2 0 0 6 ) ”这部分规定，电子元件和材料中铅的含量 北京t q k 人学t 学硕1 ：掣：1 口论文 不能超过0 1 ，而钎料中不能添加p b t 9 1 。 高性能钎料的要求传统s n p b 钎料剪切强度、抗蠕变和抗热疲劳能力差， 导致焊点过早失效。s n p b 钎料的局限性在表面安装结构中表现更加明显，因为 和穿孔焊接相比，在温度发生变化时，表面安装焊点由于无柔性的引脚需直接承 受器件和印制电路板之间因热膨胀系数失配而产生的应力【l 们。此外，高密度电子 封装及组装技术如倒装焊和球栅阵列的发展也使电子封装面临更严重的热失配， 需要发展新的钎料以提高焊点的可靠性。近年来，由于技术进步，电子产品的应 用领域不断扩大，对钎料等互连材料提出了新的要求。如：航空电子器件和汽车 中靠近发动机的器件的工作温度可达1 5 0 ，传统的共晶s n p b 钎料熔点偏低， 在高温下组织易粗化，机械性能下降，不能满足要求 1 1 1 。总之，在社会需要的推 动下，无铅钎料的研究和可靠性评价已经成为当前材料研究领域的重要课题。 1 1 1 无铅钎料的发展及现状 目前的无铅钎料的发展趋势来看，有两个方向为广大业界所关注，一是无 铅钎料的合金化，即以现有的s n 基或者s n a g 基等无铅钎料为基础，在其中添 加合金元素增加组元的方式来改善钎料的性能；另一个方向则是制备复合钎料， 复合钎料的研究目前国内开展并不多，这种方法主要是在以s n 基或者s n a g 基 等无铅钎料为基础，通过内生或者添加第二相增强颗粒，从而达到第二相增强的 效果。 就钎料的合金化而言，目前无铅钎料主要以s n 为主，添加a g ，z n ，c u ，b i ， s b ，i l l 等合金元素【1 2 _ 4 1 ，通过钎料合金化来改善合金性能，提高可焊性。如表 1 1 所示为可推荐使用的无铅钎料合金体系。 第1 章绪论 表1 1 可推荐使用的无铅钎料的参考数据1 5 】 t a b 1 1t h er e f e r e n c ed a t ao f r e c o m m e n d e dl e a d f r e es o l d e r s 1 5 】 温度( ) 合金优点缺点 波峰焊同流焊 s n - ( 3 - 3 9 ) a g 2 5 0 - 2 6 0 2 3 5 - 2 5 0 优良的机械性 熔点偏高，比s n - p b 【- ( o 5 - 0 7 ) c a 】 能，拉伸强度，共晶钎料要高 耐热老化性3 0 - 4 0 。c ，润湿性差， 成本高 s n 5 7 b i1 8 0 2 0 0 钎焊温度低 较脆，但加入a g 可改 【- ( o 5 一1 ) a 鲥 善其性能，较差的耐 热老化性 s n 一( 8 9 ) z n 2 2 0 - 2 3 02 5 0与s n - p b 钎焊温z n 极易氧化，润湿性 【- 3 b i 】度接近，机械性和稳定性差，且具有 能、拉伸强度较腐蚀性 好，具有良好的 蠕变特性 s n o 7 c u2 5 0 - 2 6 0 成本低钎焊温度较高 一a g ，n i ，a u 】 1 2 复合钎料的研究 在复合钎料的研究中，国内开展不是非常广泛。作为增强途径的颗粒增强是 提高金属材料强度非常有效的方法之一，该技术已经逐步应用于无铅钎料【l5 1 。随 着复合钎料的优势逐渐体现，复合钎料也为大家所接纳。复合钎料通常有所谓的 “内生法”和“外加法”两种制备方法。通过内生法制备的复合钎料中，强化相本身 已经是稳定的金属间化合物，这些强化相能够使得钎焊接头在服役过程中变形均 匀化，从而增强基体钎料的综合性能。通过外加法制备的复合钎料中，由于强化 相是通过预先加入的金属增强颗粒在再流或时效的实验条件下形成的，强化相可 以通过与基体的反应被转化成稳定的金属间化合物1 扣1 7 1 。在前人的研究中，外 加法制备复合钎料研究开展较多，而内生法由于工艺控制困难，组织不稳定等原 因并未进行广泛的开展。 1 2 1复合钎料的研究现状 目前，通过外加法制备的复合钎料，广泛采用的增强颗粒主要有：f e 、a g 、 北京t q p 人学t 学硕i j 学何论文 灿2 0 3 、n i 、c u 等颗粒，甚至还有添加有机增强颗粒的，而采用的基体也多种多 样，有s n 基、s n a g 基、s n c u 基等，本研究中的研究重点为n i 颗粒增强的s n a g 基复合钎料。 随着纳米技术的快速发展，b e l l 实验室i l8 】将纳米尺寸的氧化物粒子添加到 s n p b 共晶钎料中，经过复杂的成形工艺，制备成新型复合钎料，抗蠕变性能明 显提高，其机理是均匀弥散分布在基体钎料晶粒晶界处的纳米氧化物粒子，阻止 了晶界滑动和位错运动，从而使稳态蠕变速率大大降低，但是，纳米颗粒成本较 高，且为保证增强体分散而采用的制备工艺复杂，同时由于氧化物与基体不发生 作用，使增强体与基体不可能紧密结合。 k u o 等人【1 9 】在6 3 s n 3 7 p b 基体上加入0 1 1 o 的c u 和n i 颗粒形成复合钎 料，然后对复合钎料抗拉强度及蠕变性能进行了研究，研究表明：复合钎料抗拉 强度明显提高，稳态蠕变速率下降了3 个数量级。 l u c a s 等【2 0 】在s n a g 和s n a g c u 中加入4 6 的c u 、n i 、c u 6 s n 5 、n i 3 s n 4 、 f e s n 2 颗粒形成颗粒增强复合钎料，对其钎焊接头蠕变性能及钎料合金力学性能 进行了测试，并进行了微观分析，通过添加以上一种或几种颗粒，细化晶粒，强 化基体，取得了良好的效果，结果表明：该复合钎料力学性能得到一定程度的提 高，钎焊接头蠕变抗力显著提高。 g u o 等人在【2 1 2 2 s n a g 和s n a g c u 中加入c u 6 s n 5 、n i 3 s n 4 、f e s n 2 形成复合 钎料，对其蠕变性能，微观组织及力学性能进行了测试，结果表明：该复合钎料 蠕变性能，力学性能均有不同程度的提高。 1 2 2 复合钎料i m c 形态的研究 材料的组织形态、结构和性能是息息相关的，故对于组织形态的研究十分重 要，在复合钎料中，除原基体组织变化外，增强颗粒也发生着复杂的变化，每种 组织形态都直接或间接的影响钎料的性能，故对于金属间化合物( i n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d t m c ) 组织形态的发展前人进行了广泛的研究。 l e e 等人初步研究了热流对钎料金属间化合物形貌的影响，研究结果表明， 对于外加颗粒增强的复合钎料，在增强相颗粒周围的金属间化合物具有不同的形 貌，如向日葵状、不规则多边形状等。而这些不同的形貌决定于再流的时间与温 度，而其中时间温度对n i 颗粒周围的金属间化合物的形貌影响尤其强烈，而对 c u 增强颗粒与a g 增强颗粒几乎没有影响。 n i 增强颗粒周围的金属间化合物的形貌和铜的量有密切的关系。无论是焊 膏中的铜还是基板中的铜都同样影响金属间化合物的形貌，在多次再流的过程 中，n i 增强颗粒周围的金属间化合物会逐渐发展成为不规则的多边形状r 2 3 】。 s h 饥等人研究冷却速率对a 9 3 s n 形貌的影响。试验结果表明，在无铅钎料 s n 3 5 a g 共晶合金中，随着冷却速率的增加导致富s n 相的先析出形成枝晶结构， 第1 章绪论 而枝晶中的二次枝晶间距与冷却时间的关系符合公式：d = a t 。，所以，提高 冷却速率可以使晶粒细化的同时，维氏硬度测试结果表明，由于晶粒细化作用， 可以使其间作为强化相的金属间化合物a 9 3 s n 的分布更加均匀，提高了合金焊料 的机械性能【2 4 1 。 王薇等人研究了热循环对金属间化合无形貌的影响。认为：随着循环周次的 增加，p c b 铜焊盘处金属间化合物( i m c ) c u 6 s n 5 的厚度增加，继续增加循环的周 次，出现了新的化合物c n 3 s n ；并且随着循环周次的增加a 9 3 s n 生长的速度逐渐 减小【2 5 】。 王烨等人对热剪切循环条件下s n 3 s a 9 0 5 c u 钎料c u 界面的显微结构进行 了研究，研究结果表明，恒温时效1 0 0h 后，s n 2 3 5 a 9 2 0 5 c u c u 界面存在c t h s n s 和c u 3 s n 两层金属间化合物，而热剪切循环至7 2 0 周期时，界面上只有c u 6 s n s 层，没有生成c u 3 s n 。原因是由于剪切应力应变循环的影响，c u 6 s n 5 化合物层存 在过多缺陷，为基体中c u 的扩散提供了通道。 热剪切循环和恒温时效过程中，金属间化合物的初始形态都为扇贝状，随后 逐渐趋于平缓，最后以层状形式生长，但在界面近域，热剪切循环时效后颗粒状 a 9 3 s n 聚集长大为块状，恒温时效后没有出现此类现象【2 6 1 。 于大全等人研究了时效对金属间化合物形貌的影响。研究表明s n 3 5 a g 无 铅钎料和c u 基体在钎焊和时效过程中界面金属间化合物的形成和生长行为。研 究结果还表明化合层的分解对界面金属间化合物层生长有巨大的影响，当钎焊接 头在7 0 、1 2 5 、1 7 0 温度下时效时，钎焊时形成的扇贝状金属间化合物转变为 层状，金属间化合物的生长厚度与时效时间的平方根呈线性关系，其生长受扩 散机制控, u t 2 7 1 。 g u o 等人研究了n i 颗粒增强s n a g 钎料中n i 颗粒周围i m c 在时效以及再 流时的特征。在再流过程中能够生成向日葵状的i m c 以及多边形状i m c ，如图 1 1 所示。研究表明：多次再流对i m c 形貌的影响很小，化合物层的生长很小， 而可以观察到a 9 3 s n 颗粒的粗大，而在时效过程中，将钎料在1 5 0 下时效影响 很小，组织的形貌几乎没有变化，而在1 5 0 及时效则组织的稳定性下降，金属 间化合物持续生长，并且在n i 颗粒周围生成c u n i s n 金属间化合物【2 8 2 9 1 。 a ) 向日葵状i m cb ) 多边形状i m c 曲t h es u n f l o w 日i m cb ) t h e b l o c k y i m c 倒l ln i 颗粒周围金属可化台物的形虢1 2 ” f i g l j t h er n o r p h o l o g j c s o f l m c sa r o u n d n ip a r t i c l e 2 9 j 13 课题的背景及意义 13 1 本课题提出的背景 如上所述，目前应用的大麓台金化多组元钎料在复杂严酷的服役条什r ，其 性能还存在着种种的不足，m 当今电子工业迅猛发展方向是电子产品的小型化， 这就埘起着连接和支撑作用的钎料打着更高的要求，尤其在无铅钎料性能井不非 常完善的今天，钎料接头服役环境的严酷，产品一叮靠性要求的提高等都足人们对 电子钎料提出的迫切要求p ”。存改善合余化钎科过程叶1 ，通过增加组元优化 性能的同时往往也会出现制各困难，成本上升的问题，故复合钎料的发展正为大 家所认识”i 。 在无钳钎料基体中加入外加增强颗粒，形成颗粒增强复合钎料，不仪可以保 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，n - 颗粒增强 s n a g 基复合钎料就是其中的一种，它在物化性能、机械性能方面都具有 s n 一35 a g 共晶钎料所不可比拟的优点 3 “，具有广阔的发展前景。本研究以 s n - 35 a g 共晶钎料为基础。存其中添加一定比例的n l 颗粒，制各得到n i 颗粒增 强的复合钎料其抗拉强度、抗热疲劳性能、抗蠕变性能非常显著“h 。 在n - 颗粒增强复合钎科研究中，6 口人研究表明不同的钎焊工艺可以达到不 i 叫组织形态的i m c ，如向目葵状和多边形状2 9 i ，而h 1 影响组织形态的关键阶段 是在液卷下元素的扩散，此阶段下，元素扩散剧烈，反应也较平常剧烈，故深入 第1 覃绪论 的研究工艺、组织和性能的关系是指导生产的关键因素。 1 3 2热输入的引出 钎料中的组织形态发展中，起关键作用的就是钎料的加热、熔化、冷却这一 过程，通过改变这一过程，可以控制组织的发展，以得到需要的组织形态，从而 决定相应的性能。通过前人的经验积累以及试验中的摸索，本研究发现起到关键 作用的是钎焊中高于熔点的温度t 和熔点以上的保温时间t 1 2 3 ，4 5 4 们。这两个关 键影响着钎料内部的组织发展，本研究通过精确控制这两个关键因素来研究i m c 组织的发展变化规律，而这个规律可以归结为热量输入的影响，无论何种加热速 率，何种冷却速率，何种保温条件，从本质上讲都是对热输入量的改变。 研究中将热输入的大小定义为热输入量。在工艺曲线图中可以形象直观的量 化热输入量，即熔点线与工艺曲线的包覆面积，它是热输入量的最直观体现，如 图l 一2 所示。 a ) 钎焊曲线b ) 对应的热输入量 a ) t h es o l d e r i n gc u r v eb ) t h ea m o u n to ft h e r m a li n p u t 图1 - 2 典型钎焊曲线的热输入量示意图 f i g 1 2 t h ec h a t e ro ft h e r m a li n p u ti nt y p i c a ls o l d e r i n gp r o f i l e 1 3 3 本课题的研究方向 本试验中遵循的根本原则就是在成分确定的情况下，工艺影响组织，组织决 定性能，故试验从工艺的改变着手，通过不同的工艺方法，工艺参数的制定，研 究不同的工艺对于组织的影响，而各个不同的工艺又相对应不同的热输入大小， 即热输入量，通过后期的量化分析，寻找热输入与性能和组织的对应关系，从而 指导实际的生产应用。 姗 狮 抛 6堇兰量； 第2 章总体试验方案 第2 章总体试验方案 2 1 试验指导思想 本试验的基本指导思想为材料科学研究的基本思想，即材料学四面体的体 现，在材料的研究过程中，材料的效能、组织结构、工艺和性能是密不可分的。 本研以工艺条件的改变为基础，研究工艺改变对组织及性能的影响。通过采用不 同的工艺，摸索组织形态在不同工艺条件下的发展规律并总结其共性，辅以机械 性能的测试以研究工艺与性能的关系。 并在实际工艺应用的基础上以热输入的概念反映外界条件对钎料内部组织 的影响，用简单的表达形式反映钎料的机械性能与组织发展的关系。 2 2 试验基本原则及目的 试验基本原则是通过不同的工艺条件摸索组织发展与工艺影响的共性，将复 杂的工艺参数简单化，简化实际生产中的复杂工艺窗口设定。最终用便捷的方式 指导实际生产，以达到便捷生产。其中热输入就是本试验的关键所在，通过定义 热输入，研究以热输入形式反映外界对钎料的影响，能以最简单的方式表现工艺 与性能的关系。 2 3 试验方案确定 在表面组装生产过程中，多采用以下几种工艺进行生产，包括波峰焊与回流 焊，将其还原为实验室中的工艺即为：钎焊、再流、峰值保温、时效等等。本研 究拟采用上述几种工艺条件，针对每种工艺条件的特点，研究其对组织发展及钎 料性能的影响。 2 3 1 试验工艺的选择 配制试验中需要的复合焊膏是试验的基础，在配制好相应的焊膏后，通过总 结不同工艺条件的特点，本研究分别设计了以下试验方案研究工艺条件对钎料组 织及性能的影响。 复合焊膏的配制复合焊膏的配制是试验的关键，所有试验均以复合焊膏为 基础进行。本试验中采用n i 颗粒增强的复合焊膏，它以s n 3 5 a g 共晶焊膏为基 础，在其中添加n i 颗粒制备复合焊膏。 恒定冷却速率不同加热速率对组织及性能的影响采用固定的冷却速率，不 同的加热速率以研究加热速率对于组织发展的影响，并进行机械性能测试；在实 施工艺时记录温度点，以备后续热输入量统计。 恒定加热速率不同冷却速率对组织及性能的影响采用固定的加热速率，不 同的冷却速率以研究冷却速率对于组织发展的影响，并进行机械性能测试；在实 北京t q k 大学下学硕f 学位论文 施工艺时记录温度点，以各后续热输入量统计。 不同峰值保温时间对组织及性能的影响在钎焊过程中达到设定温度后并 不采取冷却，而以峰值温度保持一定时间，以研究保温时间对组织及性能的影响， 并进行机械性能测试；在实施工艺时记录温度点，以备后续热输入量统计。 多次再流对组织及性能的影响以快速加热快速冷却的方式进行钎焊，并以 相同的加热冷却速率进行同样工艺的再流，研究多次再流对组织及性能的影响， 并进行机械性能测试；在实施工艺时记录温度点，以备后续热输入量统计。 不同时效条件对组织及性能的影响通过采取不同的时效温度及时效时间 研究时效工艺对钎料组织及性能的影响，并进行机械性能测试；在实施工艺时记 录温度点，以备后续热输入量统计。 热输入的确定通过上述多种工艺的进行，对采集的温度点进行量化，规范 为热输入量。 热输入对组织及性能的影响通过热输入量总结归纳其与组织及性能的对 应关系。 2 3 2 试验流程的确定 本试验流程图如图2 1 所示。 i 力学性能测试f f 芨- - 上l 艺曲线采集 热输入量计算及归一化 、， i总结热输入量对组织性能影响规律 l 指导磊生产 图2 - 1 试验方案流程图 f i g 2 1 t h ef l o w s h e e to f e x p e r i m e n t s 第3 章增强颗粒添加比例的确定 3 1 试验前期准备 3 1 l 概述 本研究的焦点在于通过各种丁艺条件柬改变外界对于钎料的热输入量，而 作为研究基础的复合钎料是研究的关键，战率研究的首要同的就是配制n i 颗 壶 增强的复合焊膏，然后川其进行搭接接头的钎焊，此搭接接头用以模拟实际服役 条件下的p c b 板接头，其j 荠接【町积为1 x i m m ，钉料厚度为0l m m ，焊接条件根 据实际需要的试验条件进行不h 的设置，冷却介质也根据试验具体条件的不同而 进行调整。需要进行组织观察的试样，则在后续过程中_ j _ e 将进行接头试样的打磨 抛光以及金相显微镜与扫描电镜的观察拍照。 3 12 复合焊膏的配制 本研究以纯s n 35 a e 共晶焊膏为基础，在其中漆加州埔强颗社，其中n 颗粒的t 寸为1 3 p , m ，如圈3 一l 所示，添加比例依试验设计按体积比添j j u 颗 粒，本试验巾所采用的n i 颗粒为市售n i 粉，在称取适量的焊膏后，将称量好的 n i 颗粒加入，进行机械搅拌利用电动搅拌器持续进行机械搅拌3 0 分钟，以保 证n 1 颗粒在焊膏中均匀分布，随后放入0 - 5 c 环境备片j 。由于钎剂存在挥发的 问题，所以存焊膏配制后个月内使川为宜，甭则焊膏的润湿性s 将受到影响。 a ) 低倍镍颗粒形貌b ) 高倍镍颗粒形貌 a ) l o w - p o w 盯m o r h p h o l o g y o f n ip a r t i c l e b ) h i 曲- p o w e r m o r p h o l o g yo f n ip a r t i c l e 蚓3 - 1 增强相n l 颗粒扫捕i u 镜照片 f i g3 1 t h es e mi m a g e so f n ip a r t i c l e 3 13 搭接接头的准备 在试验。h 以厚度为06 m m 的紫铜板为原料通过线切割制备搭接接头，然 后在搭接区域以复合钎料进行焊接，其中搭接面积为1 l m m 2 ，搭接区域的钎料 厚皮为0l m m ，以此模拟服役条件下的焊点状态，其应力状态以纯剪切为1 ：，其 示意崩及实物翻如图3 - 2 所不。 _ _ - _ h _ bi i 1 日l l - 。岛目霹岛 a ) 钎焊前厉的搭接接头实物 a 1t h e j o i n t sa ss o l d e r e dan o n - s o l d e r e d b 1 措接接头示意幽 b ) t h ec h a r lo f t h e j o i n t 幽3 - 2 钎焊朋搭接接又 f i g3 2 t h es k e t c ho f l a p p e d l o i n t 钎焊前接头的准备：首先将无形变的标准紫铜试样进行清洗，先用5 0 浓度 的硝酸酒精溶液进行清洗，祛除氧化层以及其它污物，然后用丙酮进行浸泡取 山后晾t 备用，试样的焊接采用专用模具进行焊接。 3 14 钎焊及相关工艺条件 根据试验的设计，尽量采用不同的钎焊工艺以研究加热条件对钎料中的组 织的影响，以研究热输入对于钎料组织及性能影响的共性，采用的工艺条件如表 3 1 所示： 第3 章增强颗粒添加比例的确定 表3 1 试验中所采用的工艺条件 t a b 3 - lt h ep r o c 鹤sc o n d i t i o ni nt h ee x p e r i m e n t 3 1 5 金相组织的观察 当对搭接接头进行完相应的工艺处理后( 钎焊或再流时效等) ，都需要进行相 应的打磨处理。对于需要进行力学性能测试的试样需要对外流层进行处理，对 于需要进行组织观察的试样进行打磨抛光和腐蚀，随后进行金相显微镜或扫描电 镜的观察及拍摄。 试样打磨的目的在于保证接头的搭接面积为l m m 2 ，在钎焊过程中，由于钎 料的流动以及表面张力的作用，往往形成的接头并非完全理想，故往往需要进行 打磨处理，对于仅仅需要进行剪切性能试验的试样，运用4 0 0 # 水砂纸进行打磨， 接头两侧光亮规整即可，而需进行组织观察的试样则需继续通过6 0 0 # 、8 0 0 # 、 1 0 0 0 # 、1 5 0 0 # 、2 0 0 0 # 的砂纸进行打磨，当打磨完毕后还需进行抛光，抛光所用 抛光液性质如表3 2 所示： 表3 - 2 抛光液性质 t a b 3 - 2t h ep r o p e r t i e so ft h ep o l i s h i n gs o l u t i o n 经过抛光后的试样通过金相显微镜和扫描电镜观察或拍照。 北京t 业人学t 学硕fj 学位论文 3 2 试验中增强颗粒的添加比例确定 3 2 1确定比例 为了达到最好的综合性能( 包括高的机械性能、润湿性能、低气孔率等) 。试 验中配制了不同添加比例的n i 颗粒增强s n a g 基复合焊膏，进行选择，通过对 文献的参考，本研究决定配制体积比分别为：3 v 0 1 n i 、 5 v 0 1 n i 、8 v 0 1 n i 、 1 0 v 0 1 n i 的复合钎料。 n i 颗粒增强s n a g 基复合钎料的制备过程如下： 1 ) 坩埚的准备：挑选坩埚5 0 0 m l x 4 ，用清水，无水乙醇分别进行清洗，烘 干后备用。 2 ) 镍粉的准备：镍粉以体积比分别为3 、5 、8 、1 0 进行配粉，为了 便于计算，称取5 9 s n 3 5 a g 膏，s n 3 5 a g 膏的密度为7 3 6 9 c m 3 ，n i 颗粒的密度 为8 9 0 2 9 c m 3 ，复合钎料所加入的颗粒物质n i 的比例以5 为例。 s n 一3 5 a g 膏的体积为： k ：一m s n - , 喀：堑一一：0 6 7 9 3 4 8 c m ， ( 3 - 1 ) j h 一如 p 鼬一却7 3 6 三 c m 由于s n - 3 5 a g 膏占总体积的9 5 ， s n 一3 5 a g 膏和n i 粉的总体积为： 矿户鳖：0 6 7 9 3 4 8 c m 3 ：0 7 1 51 c ，z ，( 3 - 2 ) 删 9 9 9 5 因为所加入的颗粒物质n i 的比例为5 ， n i 粉所占的体积为： = 乙5 = o 7 1 5 1x5 = 0 0 3 5 7 6 c m 3 ( 3 - 3 ) n i 粉的重量为： m 朋= a = 0 0 3 5 7 6 8 9 0 2 与= o 3 1 8 3 9 ( 3 4 ) 其他各比例类同。 3 2 2拉伸试验 当试验设计所需各比例复合焊膏配制完毕后，经过如图3 3 所示的工艺曲线 进行钎焊，采用电阻炉加热，炉温始终保持3 5 0 c 恒定，随后，钎焊接头自由升 温，峰值温度：2 8 0 c ，达到峰值温度后将装有接头的模具取下，置于铝板上进 行冷却，冷却不附件任何条件，为空冷。 第3 帝增强颗粒添加比例的确定 6 3 0 0 气一 o 一 暑2 5 0 t - 厶 j2 0 0 卜 1 5 0 1 0 0 5 0 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 t i m e ( s ) 图3 3 钎焊工艺曲线图 f i g 3 3 t h es o l e d e r i n gp r o f i l e 通过对接头进行剪切拉伸，测得接头的力学性能，以最终确定最优的n i 颗 粒成分，进行剪切试验的设备为l l o y d - l r x ( 劳埃得) 万能材料试验机，拉伸速 率：o 1 m m m i n 拉伸数据如表3 3 所示 表3 3 各成分焊膏焊接试样的平均切切强度 t a b 3 3t h ea v e r a g es h e a r i n gs t e n g t ho ft h ej o i n t sw i t hd i f f e r e n tn iq u a n t i t i e s 根据上述数据，5 v 0 1 的n i 颗粒加入量为最佳，故在后续试验过程中，均 采用此比例的n i 颗粒添加比例，在前人研究中也得到了验证【4 1 1 。 3 3 试验的后期验证 由于后续采用不同的工艺条件，因此在前期选择的最佳配比5 v 0 1 ，在后期 不同工艺条件作用下，其力学性能不一定最佳，故在后续试验中进行了不同工艺 条件下的抽样检验，最终得以验证不同比例的n i 颗粒增强复合钎料并不因为工 艺的不同而导致强度先后次序的变化，即5 v 0 1 的n i 颗粒添加比例在后续试验 中均为最佳添加比例。 第4 章不同的加热冷却及峰值保温条件对组织形态的影响 第4 章不同加热冷却速率及峰值保温条件对组织形 态的影响 4 1 概述 通过前人的研究，发现在n i 颗粒增强锡银基复合钎料钎焊过程中，随着钎 焊工艺的不同，n i 颗粒周围会发现不同形态的金属间化合物层。比较典型的是 向日葵状金属间化合物和多边形状金属间化合物，以及在以上两种化合物周围发 展出的短棒状组织。导致以上不同组织形态的关键因素在于不同的热输入，即加 热曲线下液相线以上面积，其中在液态以上状态保温的时间和温度的高低起着决 定性的作用【4