添加合金元素agcu对低熔点snbi钎料力学性能的影响(附件)【字数：10630】
摘 要摘 要Sn-Bi合金作为低温无铅钎料，在温度要求较低的封装中具有很大的优势，但是Bi本身脆性很大，对钎料的力学性能带来不利影响。本文主要研究添加合金元素Ag、Cu对Sn-Bi钎料合金力学性能的影响。文中从钎料合金的微观组织、力学性能及焊接接头的界面特性等几个方面来进行比较分析。第一步，本文对钎料合金的室温组织进行观察，分析发现添加1%的Ag后，合金组织中的Sn相和Bi相均明显细化，并析出弥散分布的颗粒状金属间化合物Ag3Sn；而添加0.5%的Cu后，合金组织中的Bi相虽然细化，但不明显，并出现弥散分布的颗粒状金属间化合物Cu6Sn5。第二步，本文采用万能拉伸试验机对钎料合金在室温、100℃、125℃三个温度下的力学性能进行了测试和分析，实验结果表明添加1%的Ag后，钎料合金的强度和韧性明显增加，室温塑性上升、高温塑性降低，而对弹性模量影响不大。而添加0.5%的Cu后，钎料合金的强度明显增加，塑性和韧性都明显降低而对弹性模量影响不大。第三步，对焊接接头的界面特性进行观察，发现添加1%的Ag或0.5%的Cu后，界面形貌和金属间化合物的分布特点都没有改变，但接头界面处金属间化合物层的厚度明显增加。综上所述，通过添加合金元素Ag、Cu有利于改善Sn-Bi钎料合金的微观组织和力学性能。关键字无铅钎料；Sn-Bi合金；Ag；Cu；力学性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 钎料无铅化的发展 1
1.1.1 研究无铅钎料的现实意义 1
1.1.2 无铅钎料存在的问题 2
1.1.3 无铅钎料的研究现状及发展趋势 2
1.2 SnBi无铅钎料合金的研究现状 3
1.2.1 SnBi钎料的优势及用途 3
1.2.2 SnBi焊点的可靠性问题 4
1.2.3 SnBi钎料的力学性能研究 4
1.2.4 合金中添加微量元素的影响机制 5
1.3 课题来源和主要研究内容 6
1.3.1 课题来源 6
1.3.2 本课题主要研究内容 6
第二章 实验方案、方法及步骤 7
2.1 实验方案设计 7
2.2 钎料合金的制备方法 7
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.3 钎料合金的显微组织观察及力学性能测试 7
2.3.1 显微组织观察 7
2.3.2 拉伸试样的制备及力学性能测试方法 8
2.4 钎焊接头的界面特性观察及力学性能测试 9
2.4.1 钎焊试验 9
2.4.2 接头的界面特性观察 11
第三章 实验结果与分析 12
3.1 钎料合金的性能分析 12
3.1.1 微观组织观察 12
3.1.2 力学性能的分析与讨论 14
3.2 焊接接头的界面特性分析 20
3.2.1 界面特性观察 20
3.2.2 分析与讨论 22
3.3 本章小结 23
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
第一章 绪论
1.1 钎料无铅化的发展
1.1.1 研究无铅钎料的现实意义
传统意义上的焊接技术通常分为熔化焊、压力焊和钎焊三类，而电子封装领域主要采用的是钎焊技术。钎焊被分为硬钎焊和软钎焊两大类，以450℃为分界线，钎料液相线温度高于450℃时称为硬钎焊，而低于450℃时称为软钎焊。为保证电子元器件不受热冲击而损坏，实际焊接温度一般控制在220~250℃范围内，所以微电子焊接主要应用的是软钎焊，以获得良好的电气连接及机械连接，形成良好的焊点。
SnPb系合金钎料具有熔点低（183℃）、导电性好、对多种母材的润湿性良好、价格低廉等优点，被广泛应用于微电子焊接，在电子封装领域长期占据着主导地位。但是Pb作为一种重金属，对人体以及环境的危害巨大，随着环保理念的深入，从美国最先提出电子封装的无铅化开始，世界各国先后通过立法的形式来限制Pb的使用。目前国际上对无铅钎料的定义为：以Sn为基体，添加Ag、Cu、Zn、Bi及In等合金元素，并且Pb的质量分数控制在0.1%之内的多元共晶合金钎料 [1]。
SnPb钎料有几十年的应用、积累与发展历史，在电子封装领域中，应用的理论和实践都已经很成熟，而且现行的设备及工艺都是以应用SnPb钎料而设计的，大规模的更新换代面临巨大的成本问题。基于这些原因，新型的无铅钎料在的各个方面性能都必须尽可能的与SnPb钎料相近，以保障较好的兼容性。而电子产品的焊接对钎料合金的性能要求相对较高，一般要求满足以下的性能要求[2]：
（1）无毒，无公害，无污染。
（2）熔点与SnPb钎料相近，且与现行设备及工艺相兼容。
（3）熔融钎料对多种基体材料都具有良好的润湿性，以形成良好的焊点。
（4）焊点具有足够的力学性能，如抗拉强度、抗蠕变性能、抗疲劳性能等。
（5）具有良好的导电性、导热性、抗腐蚀性。
（6）具有良好的加工性能。
（7）原材料来源广泛，资源储备丰富，价格低廉。
综上所述，可以看出很少有一种无铅钎料能同时满足上述的全部要求，因此无铅钎料的研发工作仍具有重要的现实意义。
1.1.2 无铅钎料存在的问题
为兼容当前的生产工艺及生产设备、降低更新成本，采用无铅钎料代替传统SnPb钎料的无铅化存在许多问题。
（1）替代金属成本高
无铅钎料中用于替代Pb的金属元素(如Ag、Cu、In、Bi、Zn等)的价格都相对Pb较高，必然导致成本增加。
（2）熔化温度不合适
传统SnPb共晶钎料的熔点为183℃，SnAg、SnCu、SnAgCu钎料的熔点都超过200℃，而SnBi、SnIn钎料的熔点又低于140℃，面对钎料合金熔点的差异，相应的工艺和设备都必须进行一定的调整。
（3）润湿性不足
相对SnPb共晶钎料，无铅钎料的润湿性都较差，导致焊接过程中熔融钎料不能良好的铺展，从而对焊点的力学性能产生不利影响。
1.1.3 无铅钎料的研究现状及发展趋势
早期各个学者对于无铅钎料的研究集中于确定新型合金成分、多元相图的研究，以及润湿性、力学性能、可靠性等基本性能的考察。经过各国学者及一些大型公司的研究，逐渐形成了SnAg、SnCu、SnBi、SnZn等二元系合金及SnAgCu、SnZnBi等三元系无铅钎料体系[3]。表11列出了常见无铅钎料的共晶成分及其熔点，而表12列出了一些常见Sn基二元无铅钎料的优缺点。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 钎料无铅化的发展 1
1.1.1 研究无铅钎料的现实意义 1
1.1.2 无铅钎料存在的问题 2
1.1.3 无铅钎料的研究现状及发展趋势 2
1.2 SnBi无铅钎料合金的研究现状 3
1.2.1 SnBi钎料的优势及用途 3
1.2.2 SnBi焊点的可靠性问题 4
1.2.3 SnBi钎料的力学性能研究 4
1.2.4 合金中添加微量元素的影响机制 5
1.3 课题来源和主要研究内容 6
1.3.1 课题来源 6
1.3.2 本课题主要研究内容 6
第二章 实验方案、方法及步骤 7
2.1 实验方案设计 7
2.2 钎料合金的制备方法 7
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.3 钎料合金的显微组织观察及力学性能测试 7
2.3.1 显微组织观察 7
2.3.2 拉伸试样的制备及力学性能测试方法 8
2.4 钎焊接头的界面特性观察及力学性能测试 9
2.4.1 钎焊试验 9
2.4.2 接头的界面特性观察 11
第三章 实验结果与分析 12
3.1 钎料合金的性能分析 12
3.1.1 微观组织观察 12
3.1.2 力学性能的分析与讨论 14
3.2 焊接接头的界面特性分析 20
3.2.1 界面特性观察 20
3.2.2 分析与讨论 22
3.3 本章小结 23
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
第一章 绪论
1.1 钎料无铅化的发展
1.1.1 研究无铅钎料的现实意义
传统意义上的焊接技术通常分为熔化焊、压力焊和钎焊三类，而电子封装领域主要采用的是钎焊技术。钎焊被分为硬钎焊和软钎焊两大类，以450℃为分界线，钎料液相线温度高于450℃时称为硬钎焊，而低于450℃时称为软钎焊。为保证电子元器件不受热冲击而损坏，实际焊接温度一般控制在220~250℃范围内，所以微电子焊接主要应用的是软钎焊，以获得良好的电气连接及机械连接，形成良好的焊点。
SnPb系合金钎料具有熔点低（183℃）、导电性好、对多种母材的润湿性良好、价格低廉等优点，被广泛应用于微电子焊接，在电子封装领域长期占据着主导地位。但是Pb作为一种重金属，对人体以及环境的危害巨大，随着环保理念的深入，从美国最先提出电子封装的无铅化开始，世界各国先后通过立法的形式来限制Pb的使用。目前国际上对无铅钎料的定义为：以Sn为基体，添加Ag、Cu、Zn、Bi及In等合金元素，并且Pb的质量分数控制在0.1%之内的多元共晶合金钎料 [1]。
SnPb钎料有几十年的应用、积累与发展历史，在电子封装领域中，应用的理论和实践都已经很成熟，而且现行的设备及工艺都是以应用SnPb钎料而设计的，大规模的更新换代面临巨大的成本问题。基于这些原因，新型的无铅钎料在的各个方面性能都必须尽可能的与SnPb钎料相近，以保障较好的兼容性。而电子产品的焊接对钎料合金的性能要求相对较高，一般要求满足以下的性能要求[2]：
（1）无毒，无公害，无污染。
（2）熔点与SnPb钎料相近，且与现行设备及工艺相兼容。
（3）熔融钎料对多种基体材料都具有良好的润湿性，以形成良好的焊点。
（4）焊点具有足够的力学性能，如抗拉强度、抗蠕变性能、抗疲劳性能等。
（5）具有良好的导电性、导热性、抗腐蚀性。
（6）具有良好的加工性能。
（7）原材料来源广泛，资源储备丰富，价格低廉。
综上所述，可以看出很少有一种无铅钎料能同时满足上述的全部要求，因此无铅钎料的研发工作仍具有重要的现实意义。
1.1.2 无铅钎料存在的问题
为兼容当前的生产工艺及生产设备、降低更新成本，采用无铅钎料代替传统SnPb钎料的无铅化存在许多问题。
（1）替代金属成本高
无铅钎料中用于替代Pb的金属元素(如Ag、Cu、In、Bi、Zn等)的价格都相对Pb较高，必然导致成本增加。
（2）熔化温度不合适
传统SnPb共晶钎料的熔点为183℃，SnAg、SnCu、SnAgCu钎料的熔点都超过200℃，而SnBi、SnIn钎料的熔点又低于140℃，面对钎料合金熔点的差异，相应的工艺和设备都必须进行一定的调整。
（3）润湿性不足
相对SnPb共晶钎料，无铅钎料的润湿性都较差，导致焊接过程中熔融钎料不能良好的铺展，从而对焊点的力学性能产生不利影响。
1.1.3 无铅钎料的研究现状及发展趋势
早期各个学者对于无铅钎料的研究集中于确定新型合金成分、多元相图的研究，以及润湿性、力学性能、可靠性等基本性能的考察。经过各国学者及一些大型公司的研究，逐渐形成了SnAg、SnCu、SnBi、SnZn等二元系合金及SnAgCu、SnZnBi等三元系无铅钎料体系[3]。表11列出了常见无铅钎料的共晶成分及其熔点，而表12列出了一些常见Sn基二元无铅钎料的优缺点。
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