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《北京工业大学》 2003年
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SnAgCuRE钎焊接头蠕变行为的研究

陈志刚  
【摘要】: 欧盟已颁布WEEE法令,明确提出将于2006年全面禁止含铅钎料的使用。面对着商业竞争的压力,各国的电子制造商以及科研机构纷纷开展广泛的无铅钎料研究工作。新型的无铅钎料不仅要具有良好的工艺性能,更重要的是要有更高的力学性能,尤其是焊点的抗蠕变能力,以满足电子工业不断增长的对可靠性的要求,确保其在服役过程中能可靠运行。SnAgCu合金有着优良的润湿性能和力学性能,被认为是最有潜力的SnPb钎料的替代品。在众多的SnAgCu合金中,Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料由于其较高的抗蠕变性能,而受到了广泛的关注。 然而,电子线路板的超细间距式的设计趋势以及越来越严酷的服役环境,要求新型的无铅钎料具有更高的高温蠕变抗力。向合金中添加具有表面活性的元素可以有效地改善钎料的抗蠕变性能。 本文选择目前在无铅钎料领域中较为看好的Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料,通过向其中添加微量的Ce基混合稀土,研究了稀土对Sn-3.8Ag-0.7Cu合金蠕变性能的影响:通过蠕变断裂寿命的测试,研究了不同稀土含量对Sn-3.8Ag-0.7Cu 钎焊接头蠕变断裂寿命的影响;通过蠕变应变试验,确定Sn-3.8Ag-0.7Cu以及SnAgCu- 0.1RE的应力指数、激活能以及常数A,建立了反映稳态蠕变速率与温度和应力之间的本构关系。稀土的添加对Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料的其他性能以及微观组织结构也有影响。本文分别对Sn-3.8Ag-0.7Cu以及含有不同含量的SnAgCuRE钎料合金进行了物理性能、工艺性能及常规力学性能的测试,并进行了对比。最后,分析了稀土的添加对Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料合金及其钎焊接头显微组织的影响。 在所研究的合金中,未出现低熔点共晶峰,表明混合稀土的添加不会使SnAgCu合金产生低熔点共晶成分。添加微量的混合稀土对SnAgCu钎料合金的熔化温度影响不大,液相线温度大致在220℃~225℃之间。对SnAgCuRE钎料进行的物理、工艺及常规力学性能测试表明,从综合性能角度考虑,SnAgCu合金中稀土添加量不宜超过1.0wt.%。 蠕变断裂寿命试验表明微量混合稀土的添加可以显著地提高室温下SnAgCu钎焊接头的蠕变断裂寿命。在室温条件下,稀土含量为0.1wt.%时,蠕变断裂寿命最高,可以达到Sn-3.8Ag-0.7Cu的7倍以上。当稀土含量超过0.1wt.%时,接头的蠕变断裂寿命呈下降趋势。尤其是当稀土含量为1.0wt.%时,接头的蠕变断 WP=4 裂寿命甚至低于Sn-3.8Ag-0.7Cu钎焊接头,大体与SnPb钎焊接头的蠕变断裂寿命持平。因此,在SnAgCu钎料合金中,稀土的添加量不宜超过1.0wt.%。在65℃下,接头蠕变断裂寿命提高得不多,最高只有SnAgCu钎料的两倍多。因此,稀土添加量的最佳范围在0.05wt.%-0.25wt.%之间,稀土添加不易超过1.0wt.%。 对Sn-3.8Ag-0.7Cu和SnAgCu-0.1RE两种合金的钎焊接头蠕变参数(应力指数、蠕变激活能)分别进行了测定;对常数A进行了计算。从而得出了描述稳态蠕变速率与应力和温度相关性的本构方程。通过对试验所得的Sn-3.8Ag-0.7Cu及SnAgCu-0.1RE钎焊接头表观蠕变激活能的修正,得出了其真实蠕变激活能。结果表明,在低应力条件下,Sn-3.8Ag-0.7Cu及SnAgCu-0.1RE钎焊接头的真实蠕变激活能都与基体Sn的晶格自扩散激活能接近,从而其稳态蠕变速率在低应力下由晶格自扩散速率控制;在高应力条件下,Sn-3.8Ag-0.7Cu及SnAgCu-0.1RE钎焊接头的真实蠕变激活能与基体Sn的位错管道扩散激活能接近,从而其稳态蠕变速率在高应力下则由位错管道扩散的速率控制。 因此,通过总结可以得出:在低应力下,Sn-3.8Ag-0.7Cu和SnAgCu-0.1RE钎焊接头的最优化应力指数分别为6.9和8.2,真实蠕变激活能都与晶格自扩散激活能接近;在高应力下,Sn-3.8Ag-0.7Cu和SnAgCu-0.1RE钎焊接头的最优化应力指数分别为11.6和14.6,真实蠕变激活能都与位错管道扩散激活能接近。进而,Sn-3.8Ag-0.7Cu和SnAgCu-0.1RE钎焊接头蠕变变形的主控机制为位错的攀移过程。从而得出,在本文的试验温度和应力条件下,Sn-3.8Ag-0.7Cu及SnAgCu-0.1RE钎焊接头的蠕变变形是由位错蠕变机制控制的。具体来说,蠕变变形是位错滑移和位错攀移共同作用的结果,而控制稳态蠕变速率的主控机制为位错的攀移。在低应力下,位错的攀移主要通过基体Sn的晶格自扩散过程控制;而在高应力下,位错的攀移则由位错管道扩散过程控制。 对SnAgCuRE钎料合金及其接头的显微组织形成机制进行了探讨。通过对合金中元素间的相互作用以及相应的二元相图的分析,提出了在SnAgCuRE合金中存在着Ce-Sn共晶反应、La-Sn包晶反应以及Sn-Ag、Sn-Cu的共晶反应。SnAgCuRE钎焊接头的显微组织与SnAgCuRE钎料合金的显微组织不同,这是由于冷却速度的差异以及Cu基体向钎料中的溶解造成的。 稀土提高SnAgCu钎焊接头的蠕变抗力,有以下几方面因素:1)在枝晶界处形成网络的富RE相,会降低枝晶界的界面能,增加位错攀移的激活能,从而降低了位错攀移的速率。2)稀土的加入,可以在晶界处形成网络结构,能过阻 WP=5 碍原子的扩散,抑制晶粒的长大和运动。3)稀土的加入,增加了枝晶界处的和第二相粒子的数量,起到晶界强化作用。由于稀土元素在中固溶度较小,大部分将富集在固液界面前沿的液相边界层中,从而阻碍Ag、Cu原子穿过界面
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TG407

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【引证文献】
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【二级引证文献】
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3 I-Hsuan Peng;Jong-Lih Wang;Brooks Chung;;无铅SnAgCu软钎焊接头插板层次的可靠性[A];2004中国电子制造技术论坛——无铅焊接技术译文集(下册)[C];2004年
4 夏春智;梁秋会;李亚江;;Cu/Al直接钎焊接头组织性能研究[A];第十六次全国焊接学术会议论文摘要集[C];2011年
5 常玲玲;何新波;王维;彭子榕;吴茂;曲选辉;;Al基钎料钎焊SiC_p/Al复合材料的研究[A];复合材料:创新与可持续发展(下册)[C];2010年
6 杨日胜;常谦;潘希德;王裕文;薛锦;;钎焊接头超声无损检测与评价的研究[A];陕西省焊接学术会议论文集[C];2006年
7 王海滨;乔培新;唐福庆;朱坤;;邦迪管钎焊接头的应力腐蚀断裂研究[A];第九次全国焊接会议论文集(第1册)[C];1999年
8 刘方军;毛智勇;陈刚;左从进;;不锈钢管板接头的电子束钎焊研究[A];第九次全国焊接会议论文集(第1册)[C];1999年
9 潘希德;张亮亮;葛永广;;钎焊接头超声成像无损检测与评价[A];陕西省焊接学术会议论文集[C];2008年
10 黄宁;魏友辉;陈少辉;;Ti_3Al的钎焊性能、组织及应用研究[A];第九次全国焊接会议论文集(第1册)[C];1999年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 庞贝;叶片钎焊建奇功[N];中国航空报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨敏旋;原位自生TiB晶须增强Al_2O_3/TC4钎焊接头组织结构及性能研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
2 陈志刚;SnAgCuRE钎焊接头蠕变行为的研究[D];北京工业大学;2003年
3 谢凤春;石墨与铜的钎焊机理及新型低温活性钎料的制备[D];哈尔滨工业大学;2008年
4 郭丽华;锯齿型错列翅片冷却器的传热、阻力及工艺特性的研究[D];上海交通大学;2007年
5 商延赓;Sn基无铅钎料组织、性能和界面反应行为的研究[D];吉林大学;2007年
6 张宁;SnAgCu基无铅钎焊接头在跌落和冲击条件下的可靠性评价研究[D];北京工业大学;2011年
7 刘秀忠;ZA合金的连接及接头组织与性能研究[D];大连交通大学;2006年
8 赖忠民;Ga/In与稀土Ce对Ag30CuZnSn钎料显微组织及钎焊接头性能影响的研究[D];南京航空航天大学;2011年
9 吴娜;Super-Ni/NiCr叠层复合材料与Cr18-Ni8钢高温钎焊接头组织结构研究[D];山东大学;2013年
10 赵宁;无铅钎料的液态结构与钎焊界面反应及其相关性研究[D];大连理工大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 蒋锴;铝/钢预置粉末激光搭接熔钎焊接头组织与性能研究[D];兰州理工大学;2013年
2 陈兴;基于内聚力模型的不锈钢钎焊接头裂纹扩展研究[D];华东理工大学;2014年
3 刘孝丽;基于绿色设计理论与方法的Cu-Al接头设计研究[D];兰州理工大学;2012年
4 宋昌宝;M11管壳式换热器管板钎焊接头断裂泄漏失效试验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 戴家辉;微电子连接无铅钎料的研究[D];山东大学;2005年
6 何大鹏;合金元素对二元Sn基钎料钎焊界面IMC的影响[D];大连理工大学;2006年
7 梁兴华;纳米氟铝酸钾铝钎剂的制备与研究[D];广东工业大学;2006年
8 郭武奎;氧枪喷头产品焊接工艺技术应用研究[D];兰州理工大学;2006年
9 高原;无铅合金钎焊接头热疲劳性能的研究[D];北京工业大学;2007年
10 何翠翠;铝/镀锌钢板熔钎焊接头金属间化合物形成机理的研究[D];兰州理工大学;2013年
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