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作者：

陈旭

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摘要：

由于铅有毒,近年来世界主要国家相继通过立法限制含铅产品的使用,开发可以替代Sn-Pb焊料的Sn-Ag,Sn-Zn,Sn-Cu,Sn-Bi等无铅焊料成为电子封装研究领域的热点.其中,Sn-Bi焊料合金熔点低,能够满足低温钎焊的要求,此外还具有较好的润湿性能和较高的抗拉强度,在低温钎焊领域有广阔的应用前景.但由于焊料本身的脆性,引发对其焊点可靠性的担忧,限制了 Sn-Bi焊料的推广和应用.因此,深入研究Sn-Bi合金成为无铅焊料领域的迫切需求.本文以Sn-Bi系合金为研究对象,运用光学金相显微镜(OM), X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM), X射线能谱分析仪(EDS),透射电子显微镜(TEM)等多种分析和测试手段,系统研究了 Bi含量,变形速率和温度对Sn-Bi二元合金变形特性的影响.借助原位观察的方法研究了 Sn-Bi合金的断裂机制,并结合纳米压痕等微观实验手段,讨论了材料的变形机制.在此基础上,本文通过Ag和In微合金化技术制备得到三元合金,分析了添加元素,应变速率和温度的作用机制,获得了合金的熔点,熔程和润湿性等参数.此外,论文还进一步研究了焊接接头在时效过程中焊料/Cu焊点界面金属间化合物(IMC)的生长动力学及其对接头剪切强度的影响机制.Sn-Bi共晶合金组织中富Sn相和富Bi相交替呈连续的网状分布,当降低合金中Bi含量后,组织中出现β-Sn初生相,网状共晶组织也不再连续分布,当降至6%时,合金组织为β-Sn单相固溶体,只在晶界附近析出细小的Bi颗粒.力学性能研究表明,合金抗拉强度及延伸率随着Bi含量降低都呈先增大后减小的趋势,Sn-42Bi合金延伸率最高.合金抗拉强度随着应变速率的提高都呈现增长的趋势,并且增长幅度随着Bi含量的增加而变大.高,中Bi含量合金对应变速率和温度最敏感,合金延伸率随着应变速率减小和温度的升高呈现增长趋势,低Bi含量合金延伸率对应变速率和温度敏感性较低.Sn-58Bi合金应力指数计算结果表明,高应变速率(ε0.002s-1)下的应力指数n=14.7,变形由位错滑移机制控制,位错缠结导致合金强度大幅度提高,但应力更容易集中,裂纹贯穿基体导致材料迅速失效.在低应变速率(ε0.002s-1)时的应力指数n=3.26,此时变形由相界滑动和位错攀移混合机制控制.高Bi含量合金主要以解理断裂方式为主,中Bi含量合金初始裂纹在β-Sn相内产生并沿晶界扩展,低Bi含量合金晶界处成为初始裂纹产生和扩展的通道,容易发生沿晶断裂.三元合金显微组织分析表明,Sn-Bi合金中加入少量Ag形成细小的ε-Ag3Sn,有利于提高合金的延展性,且在高应变速率条件下,Ag元素对塑性有显著改善作用,延伸率提高了约67%,但在高温下Ag对塑性的改善作用并不明显.当Ag含量过高,虽然抗拉强度提高,但形成了初生ε-Ag3Sn相,其粗化和团聚导致合金的延伸率降低.DSC分析结果表明,Ag含量对Sn-Bi合金的熔点,熔程及铺展率有一定影响,但作用不大.Sn-Bi-In合金基体中固溶的In原子降低了 Sn基体内Bi原子含量,有助于改善Sn基体的塑性.当In含量超过最大溶解度,Sn基体中开始析出Biln化合物颗粒,合金塑性降低.其中,添加2.5%In时合金延伸率达到最大值,较共晶合金提高了 121%.在低应变速率时In元素对Sn-Bi合金延展性的改善作用比较明显,而在高应变速率或高温下其改善作用减弱.In含量对相变温度影响显著,Sn-Bi-In合金中每添加1%的In,熔化峰起始温度下降5℃左右,且熔程逐渐增大.合金铺展率随着In含量的增加也逐渐下降,当In含量超过4%后铺展率又有所回升.Sn-Bi/Cu和Sn-Bi-Ag/Cu焊点界面反应层都为Cu66Sn5化合物,Sn-Bi-In/Cu焊点界面反应层为Cu6(Sn,In)5化合物.在等温时效过程中,少量Ag的添加可抑制焊点中Bi相粗化.在80℃时效时,添加0.4%Ag和2.5%In有一定阻碍界面IMC生长作用,但随着时效温度的升高,添加Ag和In元素都会在不同程度上促进IMC层的生长.对界面生长因子n的研究表明,几种焊点界面反应层的生长都由体积扩散控制.计算五种焊点界面反应层的激活能,发现添加Ag元素对界面反应层激活能影响不大,42Sn-Bi-2.5In/Cu焊点IMC扩散激活能最高,且其扩散系数对温度变化最不敏感,但由于扩散常数较高,高温时效时界面反应层生长速率反而变快.添加Ag在时效前后都提高了接头强度,而In的添加降低了接头的强度,但42Sn-Bi-2.5In/Cu接头在高温时效时强度降低更为缓慢.42Sn-Bi/Cu和42Sn-Bi-0.4Ag/Cu接头断裂位置随时效时间延长逐渐由合金基体向界面IMC转移,接头强度和塑性降低,但由于Cu6(Sn,In)5界面反应层反而在时效过程中强度升高,42Sn-Bi-2.5In/Cu接头的断裂由界面IMC位置逐渐向合金基体转移,接头塑性提高.

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关键词：

无铅焊料；Sn-Bi；力学性能；显微组织；合金化；接头；时效；纳米压痕

学位级别：

博士

DOI：

CNKI:CDMD:1.1018.041087