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Ga和Nd對(duì)Sn-Zn無(wú)鉛釬料錫須抑制作用研究

發(fā)布時(shí)間:2018-12-23 09:37
【摘要】:Sn Zn共晶釬料是熔點(diǎn)最接近Sn Pb釬料的無(wú)鉛釬料,且其力學(xué)性能優(yōu)于Sn Pb釬料。雖然由于Sn Zn釬料潤(rùn)濕性能差,但是仍然受到研究者的重視。已有研究表明,添加Ga、Ce、Pr元素能顯著提高Sn Zn釬料的潤(rùn)濕性能,但是存在誘發(fā)“錫須”生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。然而稀土元素Nd的添加表現(xiàn)出與眾不同的性能,因此,本文針對(duì)Sn Zn釬料中添加Ga以及稀土元素Nd的變化規(guī)律進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究。采用潤(rùn)濕平衡法研究了稀土元素Nd的添加對(duì)Sn 9Zn 0.5Ga釬料潤(rùn)濕性能的影響。研究結(jié)果表明,適量Nd元素的添加可以顯著改善釬料的潤(rùn)濕性能,當(dāng)Nd元素的添加量為0.08wt.%時(shí),釬料的潤(rùn)濕性能最佳,在240℃的試驗(yàn)條件下,釬料的潤(rùn)濕時(shí)間縮短了21%,潤(rùn)濕力則增加了45%;采用自制的Sn Zn專用助焊劑助焊效果優(yōu)于市售水溶性助焊劑。Sn 9Zn 0.5Ga 0.08Nd無(wú)鉛釬料在三種鍍層上的潤(rùn)濕性能隨著溫度的升高而顯著提高,表現(xiàn)為潤(rùn)濕時(shí)間逐漸減小,潤(rùn)濕力逐漸增大。在240℃以上時(shí),Sn 9Zn 0.5Ga 0.08Nd釬料在三種鍍層試片上的潤(rùn)濕時(shí)間均滿足波峰焊t0≤1s的要求。三種鍍層中,釬料在純Sn和Sn Bi鍍層上的潤(rùn)濕時(shí)間小于Au/Ni鍍層。采用自制Sn Zn專用助焊劑釬焊時(shí),釬料在純Sn鍍層上表現(xiàn)最佳;使用水溶性助焊劑時(shí),釬料在Sn Bi鍍層上表現(xiàn)最佳。適量添加Nd元素可以顯著改善Sn 9Zn 0.5Ga釬料的顯微組織,使得釬料基體組織中富Zn相的尺寸減小,基體組織得到細(xì)化,當(dāng)Nd元素的添加量為0.08%時(shí)基體顯微組織最為細(xì)小均勻。理論分析表明,主要是由于Nd元素的吸附特性可以降低晶界自由能以及不同晶界間的自由能差,從而阻止了晶粒的長(zhǎng)大,進(jìn)而得到均勻的釬料基體組織。研究發(fā)現(xiàn),Nd元素的添加可以顯著提高Sn 9Zn 0.5Ga微焊點(diǎn)的力學(xué)性能。當(dāng)Nd元素的添加量為0.08%時(shí),焊點(diǎn)的抗剪力最大,相比母合金提高了25.5%;對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行時(shí)效處理后發(fā)現(xiàn),焊點(diǎn)的力學(xué)性能有所下降,但下降速率相比母合金明顯降低,經(jīng)過(guò)720小時(shí)的時(shí)效處理后,焊點(diǎn)的抗剪力仍高于未經(jīng)時(shí)效的Sn Zn焊點(diǎn)。適量Nd元素的添加可以抑制焊點(diǎn)界面金屬間化合物層的生長(zhǎng),減小界面層的厚度。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后,Sn 9Zn 0.5Ga 0.08Nd/Cu焊點(diǎn)界面層仍保持相對(duì)連續(xù),凸起、凹陷等情況明顯減少。對(duì)焊點(diǎn)經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后的斷口形貌進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),釬料與Cu基板的斷口處均可發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩,呈現(xiàn)典型的韌性斷裂,說(shuō)明斷裂發(fā)生在釬料內(nèi)部。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)效處理后,焊點(diǎn)的斷口形貌整體依然呈現(xiàn)典型的韌性斷裂,使得焊點(diǎn)仍然可以保持較高的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn),稀土元素Nd對(duì)錫須的生長(zhǎng)具有明顯的影響。添加過(guò)量稀土元素的Sn 9Zn 1Nd釬料在不同時(shí)效條件下均發(fā)現(xiàn)了錫須生長(zhǎng)現(xiàn)象,且在長(zhǎng)期時(shí)效后錫須長(zhǎng)度均超過(guò)了安全范圍。而具有最佳稀土元素Nd含量的Sn 9Zn 0.5Ga 0.08Nd釬料無(wú)論在高溫還是室溫的條件下都沒(méi)有觀測(cè)到明顯的錫須大面積生長(zhǎng)情況,可滿足微電子元器件的相關(guān)要求。高溫下的錫須長(zhǎng)度要小于室溫的情況,錫須的生長(zhǎng)形態(tài)也有差異。室溫條件下的稀土形態(tài)以細(xì)長(zhǎng)的絲狀或針狀居多,而高溫條件下的錫須形態(tài)以堆疊纏繞的團(tuán)絮、腫瘤狀、島狀、丘狀為主。復(fù)合添加Nd與Ga元素,在最優(yōu)的添加量范圍,即Sn 9Zn 0.5Ga 0.08Nd釬料無(wú)論在高溫還是室溫的條件下都沒(méi)有觀測(cè)到明顯的錫須生長(zhǎng)情況,這為“抑制”錫須生長(zhǎng)、提高焊點(diǎn)可靠性提供了新的研究思路。對(duì)其反應(yīng)機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn):Ga元素對(duì)釬料基體中的錫須生長(zhǎng)抑制作用主要表現(xiàn)為Ga取代了Sn與Nd反應(yīng)生成了Ga Nd相,使得Sn Nd相的數(shù)量大大減少,從而消除了錫須的生長(zhǎng)源。在釬焊過(guò)程中當(dāng)稀土元素和Ga元素在釬料表面富集時(shí),由于Ga的富集效應(yīng)極大地改變了相關(guān)化合物的非標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能,Ga Nd相的生成將優(yōu)先于Sn Nd相。Ga元素對(duì)焊點(diǎn)界面附近的錫須生長(zhǎng)抑制作用一方面表現(xiàn)為Ga元素在界面處的大量聚集減少了界面附近Sn Nd相的生成,消除了由稀土相引發(fā)的錫須生長(zhǎng);另一方面則表現(xiàn)為Ga元素和Nd元素的協(xié)同作用使得時(shí)效過(guò)程中界面層保持相對(duì)完整,界面層中的孔洞、裂紋以及凸起、凹陷等情況較少,抑制了時(shí)效過(guò)程中由于原子擴(kuò)散產(chǎn)生應(yīng)力而造成的錫須生長(zhǎng)。由此可見,Ga與Nd的優(yōu)先反應(yīng)和Ga與Nd的協(xié)同作用是Sn 9Zn 0.5Ga 0.08Nd釬料具有錫須抑制作用的根本原因。通過(guò)Sn 9Zn 0.5Ga 2Nd和Sn 9Zn 1Ga 2Nd釬料焊點(diǎn)進(jìn)行時(shí)效處理后發(fā)現(xiàn),當(dāng)Ga元素和Nd元素的添加量為1:2左右時(shí),Ga元素可以通過(guò)生成Ga Nd相從而完全反應(yīng)掉釬料中的Nd元素,否則剩余的Nd元素與Sn元素發(fā)生反應(yīng)生成具有“負(fù)面作用”的稀土相Nd Sn3,由此解釋了過(guò)量添加稀土Nd元素“弊大于利”的原因。研究結(jié)果對(duì)于無(wú)鉛釬料稀土元素的合金化具有指導(dǎo)意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】:南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號(hào)】:TG425

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