功率超声制备snbi合金颗粒的工艺优化(附件)【字数：10078】
摘 要摘 要本课题主要研究了功率超声制备Sn-Bi合金球粒工艺的优化。Sn-Bi无铅焊料由于绿色无污染、熔点低等优点，公认为是Sn-Pb焊料的理想替代材料，近些年来也得到广泛研究。因为超声空化效应，熔体在液相线上即能大量生核，而超声声流效应将形成的晶核散发到整个熔体。功率超声使得层片状共晶组织更明显，晶粒细化。微粒尺寸随施振功率增大而减小并随针孔尺寸减小而减小，冷却后获得粒径均一、圆球度好、表面光洁度高Sn-Bi合金球粒。本实验的工艺优化结果表明（1）使用恒温加热金属液，颗粒均匀度由0.65提高到0.91，滴落量由23颗/min提高到108颗/min；（2）使用针孔喷射，颗粒平均直径减小，颗粒平均直径由1.37mm降低到0.98mm；（3）使用梯度式油冷，成球率由0.61提高到0.89。关键词功率超声处理；共晶；针孔喷口；梯度油冷。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 目前无铅焊料的发展 1
1.1.1目前无铅焊料的研究 1
1.1.2 BGA封装中SnBi合金的实际应用 2
1.2 在细晶中功率超声的应用 2
1.3 制备球状SnBi合金颗粒的方法 3
1.4 目前存在问题与展望 4
1.5 本文研究的内容与目的 5
第二章 原始实验工艺 6
2.1实验装备 6
2.1.1超声波发生装置与变幅杆 6
2.1.2工作支架 7
2.1.3石墨坩埚和碳钢片 7
2.1.4冷却装置 8
2.2合金制备 8
2.3实验工艺 9
2.3.1 功率超声 9
2.3.2 微孔喷射 10
2.3.3 冷却 10
2.4实验结果分析 11
2.4.1扁平状颗粒 12
2.4.2 带尾状颗粒 13
2.4.3近椭球状颗粒 14
第三章 改进后实验结果分析 16
3.1设备改进 16
3.1.1 碳钢坩埚与针孔 16
3.1.2冷却装置 17
3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
工艺改进 18
3.2.1 恒温金属液与针孔喷射 18
3.2.2 恒温油冷与梯度油冷 18
3.3工艺改进结果分析 19
3.3.1 恒温金属液与针孔喷射 19
3.3.2 恒温油冷 20
结论 25
致谢 26
参考文献 27
绪论
1.1 目前无铅焊料的发展
1.1.1目前无铅焊料的研究
长期以来，价格低廉和焊接性能优异的含铅焊料，一直受到电子封装行业的青睐，但铅是重金属，铅化物有较强的毒性，对人体及自然环境产生严重的负面影响。各国逐渐限制或禁止含铅焊料的使用，并对无铅绿色焊料的研究大量投入[1]。
目前，含锡无铅焊料主要是SnAg、SnZn、SnCu、SnBi四类[2] 。SnAg焊料组织较细，具有优良的机械性能与焊接性能，其主要以96.5%锡，3.5%的银形成共晶组织，通常还会添加微量的Cu、Zn、Bi等金属，通常含银焊料其熔点较高（183℃），焊接过程中的高温易使电子元件的性能受到损伤，而且其与设备的兼容性差，故限制了该类焊料的应用； SnZn系焊料有较优异的力学性能，成本较低，且其熔点与SnPb焊料相近（熔点为198℃）,基体为91%Sn9%Zn（熔点为199℃），通常添加微量Bi、Ag、 In等金属，但锌在正常环境下氧化速率很快，使得焊接件可靠性无法保证；SnCu焊料以99.3%的锡和0.7%铜构成共晶组织，一般添加Zn、Bi、Ag等金属，最近研制出的无铅、银的SnCu焊接材料[3] ，此类无铅焊料与含银相比，价格更低廉，润湿性提高，熔点比含银焊料更高达到221℃；SnBi系无铅焊料研究最多的即Sn58%Bi，Sn58%Bi的共晶组织，熔点低，为140℃。其优点有：焊接合金比Sn Pb 共晶焊料的耐高温蠕变性与抗拉强度都更出色；Sn和Bi及其合金均无毒， SnBi焊料的成本也要低于SnAg，满足批量生产的要求。SnBi钎料的润湿角大于SnPb钎料，润湿性也较好。此类焊料有出色的稳定性与润湿性，存储方便。且其力学性能也较好[12]，具有比SnPb合金更高的屈服强度，抗蠕变性和热疲劳性能[4]。
SnBi合金钎料共晶熔点比较低，为140℃，可以焊接多层电路板及防雷元件和其他具有温度敏感的无铅电子工业产品等。该钎料焊接时无需助焊剂，即降低了污染又节约了费用。并且焊接后焊接区合金组织均匀，无缝隙、气泡等缺陷，封装的气密性较好[5]。
对熔体施用功率超声时，声流效应和声空化效应协同作用[6]，提高了两相之间的润湿性，使其结合得更为紧密，避免偏析缺陷，固相组织均匀细小，改善力学性能[7]。
使用针孔使液滴成球滴落冷却后，得到粒径均一、圆球度好、表面光洁度高SnBi合金球粒。
1.1.2 BGA封装中SnBi合金的实际应用
出现于1990年代初BGA封装技术即球状引脚栅格阵列封装技术，具有封装引脚多、面积小、互联密度优良、电性能好、焊接时能自动对齐、可靠性好等优点[8]，而在电子封装行业深受广泛欢迎与应用。
BGA封装对焊球质量提出了较高要求，因为封装水平和性能受到焊球质量的直接影响。焊球尺寸均匀、圆球度较高、内部组织和表面质量好是应用于BGA封装的焊球质量的一般要求[9]。
当前大多数发达国家因含铅钎料对于环境及人体健康有害[10]，已制定相关法例，限制含铅焊料使用，从而促进了无铅焊料的快速发展，使无铅SnBi焊料得到广泛关注[11]。SnBi合金钎料因其熔点较低、对人体无害、对环境无污染、成本低等优点得到较大关注。
1.2 在细晶中功率超声的应用
我们知道，细化晶粒主要有三种方式：1.增加过冷度；2.施加振动或搅拌；3.进行变质处理。功率超声是指超声波施振于熔体，当超声功率大于一定数值时，会影响乃至改变熔体组织、状态和性能的一种超声波[12]。通过振动或搅拌和靠增加熔体局部区域的过冷功率是超声细晶的原理。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 目前无铅焊料的发展 1
1.1.1目前无铅焊料的研究 1
1.1.2 BGA封装中SnBi合金的实际应用 2
1.2 在细晶中功率超声的应用 2
1.3 制备球状SnBi合金颗粒的方法 3
1.4 目前存在问题与展望 4
1.5 本文研究的内容与目的 5
第二章 原始实验工艺 6
2.1实验装备 6
2.1.1超声波发生装置与变幅杆 6
2.1.2工作支架 7
2.1.3石墨坩埚和碳钢片 7
2.1.4冷却装置 8
2.2合金制备 8
2.3实验工艺 9
2.3.1 功率超声 9
2.3.2 微孔喷射 10
2.3.3 冷却 10
2.4实验结果分析 11
2.4.1扁平状颗粒 12
2.4.2 带尾状颗粒 13
2.4.3近椭球状颗粒 14
第三章 改进后实验结果分析 16
3.1设备改进 16
3.1.1 碳钢坩埚与针孔 16
3.1.2冷却装置 17
3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
工艺改进 18
3.2.1 恒温金属液与针孔喷射 18
3.2.2 恒温油冷与梯度油冷 18
3.3工艺改进结果分析 19
3.3.1 恒温金属液与针孔喷射 19
3.3.2 恒温油冷 20
结论 25
致谢 26
参考文献 27
绪论
1.1 目前无铅焊料的发展
1.1.1目前无铅焊料的研究
长期以来，价格低廉和焊接性能优异的含铅焊料，一直受到电子封装行业的青睐，但铅是重金属，铅化物有较强的毒性，对人体及自然环境产生严重的负面影响。各国逐渐限制或禁止含铅焊料的使用，并对无铅绿色焊料的研究大量投入[1]。
目前，含锡无铅焊料主要是SnAg、SnZn、SnCu、SnBi四类[2] 。SnAg焊料组织较细，具有优良的机械性能与焊接性能，其主要以96.5%锡，3.5%的银形成共晶组织，通常还会添加微量的Cu、Zn、Bi等金属，通常含银焊料其熔点较高（183℃），焊接过程中的高温易使电子元件的性能受到损伤，而且其与设备的兼容性差，故限制了该类焊料的应用； SnZn系焊料有较优异的力学性能，成本较低，且其熔点与SnPb焊料相近（熔点为198℃）,基体为91%Sn9%Zn（熔点为199℃），通常添加微量Bi、Ag、 In等金属，但锌在正常环境下氧化速率很快，使得焊接件可靠性无法保证；SnCu焊料以99.3%的锡和0.7%铜构成共晶组织，一般添加Zn、Bi、Ag等金属，最近研制出的无铅、银的SnCu焊接材料[3] ，此类无铅焊料与含银相比，价格更低廉，润湿性提高，熔点比含银焊料更高达到221℃；SnBi系无铅焊料研究最多的即Sn58%Bi，Sn58%Bi的共晶组织，熔点低，为140℃。其优点有：焊接合金比Sn Pb 共晶焊料的耐高温蠕变性与抗拉强度都更出色；Sn和Bi及其合金均无毒， SnBi焊料的成本也要低于SnAg，满足批量生产的要求。SnBi钎料的润湿角大于SnPb钎料，润湿性也较好。此类焊料有出色的稳定性与润湿性，存储方便。且其力学性能也较好[12]，具有比SnPb合金更高的屈服强度，抗蠕变性和热疲劳性能[4]。
SnBi合金钎料共晶熔点比较低，为140℃，可以焊接多层电路板及防雷元件和其他具有温度敏感的无铅电子工业产品等。该钎料焊接时无需助焊剂，即降低了污染又节约了费用。并且焊接后焊接区合金组织均匀，无缝隙、气泡等缺陷，封装的气密性较好[5]。
对熔体施用功率超声时，声流效应和声空化效应协同作用[6]，提高了两相之间的润湿性，使其结合得更为紧密，避免偏析缺陷，固相组织均匀细小，改善力学性能[7]。
使用针孔使液滴成球滴落冷却后，得到粒径均一、圆球度好、表面光洁度高SnBi合金球粒。
1.1.2 BGA封装中SnBi合金的实际应用
出现于1990年代初BGA封装技术即球状引脚栅格阵列封装技术，具有封装引脚多、面积小、互联密度优良、电性能好、焊接时能自动对齐、可靠性好等优点[8]，而在电子封装行业深受广泛欢迎与应用。
BGA封装对焊球质量提出了较高要求，因为封装水平和性能受到焊球质量的直接影响。焊球尺寸均匀、圆球度较高、内部组织和表面质量好是应用于BGA封装的焊球质量的一般要求[9]。
当前大多数发达国家因含铅钎料对于环境及人体健康有害[10]，已制定相关法例，限制含铅焊料使用，从而促进了无铅焊料的快速发展，使无铅SnBi焊料得到广泛关注[11]。SnBi合金钎料因其熔点较低、对人体无害、对环境无污染、成本低等优点得到较大关注。
1.2 在细晶中功率超声的应用
我们知道，细化晶粒主要有三种方式：1.增加过冷度；2.施加振动或搅拌；3.进行变质处理。功率超声是指超声波施振于熔体，当超声功率大于一定数值时，会影响乃至改变熔体组织、状态和性能的一种超声波[12]。通过振动或搅拌和靠增加熔体局部区域的过冷功率是超声细晶的原理。
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