復(fù)合釬料釬焊接頭熱疲勞顯微組織與殘余力學(xué)性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)Sn-Pb釬料具有良好的潤濕性和較低的熔化溫度，曾是電子封裝材料的首選。由于鉛是有毒元素，特別是歐盟等國家和地區(qū)關(guān)于電子產(chǎn)品的WEEE和RoHs指令的出臺，無鉛化的呼聲越來越高。另外，隨著電子產(chǎn)品微型化發(fā)展，焊點尺寸隨之減小，作為支撐、通電和散熱媒介，焊點所承受的力學(xué)、電學(xué)和熱力學(xué)載荷越來越重。由此產(chǎn)生的一些問題，如蠕變、熱疲勞以及電遷移等突顯出來，這就要求無鉛釬料具有較高的服役可靠性。 目前無鉛釬料改性研究主要集中在兩個方

2、面，一是合金化，另一方面是制備復(fù)合釬料。本文通過外加法向Sn-3.5Ag焊膏中加入體積分數(shù)為10％的微米級Cu、Ni顆粒制備了復(fù)合釬料。首先對復(fù)合釬料的顯微組織、力學(xué)性能以及潤濕性能進行了研究；重點研究了復(fù)合釬料釬焊接頭熱疲勞作用后顯微組織的演變，表面損傷的積累及熱疲勞后的殘余力學(xué)性能。主要的研究結(jié)果表明： 復(fù)合釬料的顯微組織中，在增強顆粒周圍以及基板界面處生成了金屬間化合物，其形態(tài)以及大小因加入顆粒而不同；Cu、Ni顆粒在Sn

3、基體中的擴散系數(shù)以及Cu-Sn與Ni-Sn的激活能不同是造成顯微組織差異的主要原因。顆粒的加入提高了釬料釬焊接頭的剪切強度，其中Cu顆粒增強的復(fù)合釬料釬焊接頭的剪切強度比Sn-3.5Ag的接頭提高了33％，Ni顆粒增強的復(fù)合釬料接頭提高了20％；熔融釬料流動性變差導(dǎo)致顯微組織中的氣孔是剪切強度下降的主要原因。在潤濕性方面，兩種復(fù)合釬料的鋪展面積均比Sn-3.5Ag釬料下降了約15％，其中Cu顆粒增強的復(fù)合釬料其潤濕角由11°增加到18°

4、。 在Sn-3.5Ag以及Cu顆粒增強復(fù)合釬料釬焊接頭表面均觀察到熱疲勞損傷，在Sn-3.5Ag顯微組織中，熱疲勞裂紋沿著界面萌生，并且以45°角擴展到釬料內(nèi)部；而Cu顆粒增強的復(fù)合釬料中，大部分裂紋只是沿著釬料及金屬間化合物界面擴展而沒有延伸到釬料內(nèi)部；釬料內(nèi)部，在Cu增強顆粒與其周圍的金屬間化合物之間觀察到了熱疲勞裂紋，一定程度上釋放了熱應(yīng)力，改善了接頭的應(yīng)力狀態(tài)。Ni顆粒增強的復(fù)合釬料表面沒有出現(xiàn)熱疲勞裂紋，顯示了較好的耐

5、熱疲勞的能力。 本文研究了不同熱沖擊速度對Cu顆粒增強復(fù)合釬料顯微組織的影響，結(jié)果顯示較快的沖擊速度下，金屬間化合物/釬料界面熱疲勞損傷更加嚴重；而Cu增強顆粒與其周圍的金屬間化合物的損傷，在沖擊速度較慢的情況下反而嚴重，主要原因可能是沖擊速度較低時，低溫停留時間更長，對Cu增強顆粒與其周圍的金屬間化合物的損傷更加嚴重。對熱疲勞釬焊接頭的殘余力學(xué)性能進行了研究，接頭的剪切強度隨著熱循環(huán)的進行逐漸降低，在前100周期下降最快，在隨