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Sn基无铅钎料组织、性能和界面反应行为的研究

作　者: 商延赓
导　师: 孙大千
学　校: 吉林大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Sn基无铅钎料热力学计算界面反应金属间化合物剪切强度抗氧化性
分类号: TG425
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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引　用: 8次
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内容摘要

目前电子工业中最主要的钎焊材料是锡铅合金,铅是有毒物质对环境和人体危害极大,各国相继通过立法禁止使用含铅的产品。本文根据电子工业无铅钎料发展趋势和生产工艺的特点,研究了合金元素对Sn-Ag-Cu系和Sn-Zn系钎料组织、性能及界面反应行为的影响。首先采用热力学计算的方法对Sn-Ag-Cu系钎料的成分进行了优化设计,计算结果为Sn-(3.5~4.0)wt%Ag-(0.5~1.3)wt%Cu,共晶温度为217℃,采用DSC试验测定的熔化温度为217.022℃与计算结果基本一致。重点研究了元素Cu对Sn-3.8Ag-(x)Cu/Cu界面处形成Cu6Sn5的生长形态对接头剪切强度的影响规律,试验结果表明,通过调整Cu的含量,可以改变Cu6Sn5的形态提高接头的剪切强度;在常温时效、时间为1000h时, Sn-3.8Ag-(x)Cu钎料在界面处生成Cu6Sn5的形态由实心的柱体变化为长的空心截面六边形柱体,由于Cu6Sn5所形成的空心孔洞导致了界面成为强度弱区,使接头的剪切强度下降。研究了合金元素Bi、Ag对Sn-8Zn钎料性能的影响,试验结果表明,通过添加适量的元素,可以改善Sn-8Zn钎料的润湿性能和接头的剪切强度,通过有选择的生成保护性的氧化膜可以提高和改善钎料的抗氧化性能。

全文目录

提要  5-10
第1章绪论  10-26
  1.1 引言  10-14
    1.1.1 环保和铅的毒性  11-13
    1.1.2 电子产品废弃物的污染问题  13-14
  1.2 无铅化电子组装技术  14-17
    1.2.1 无铅电子封装  14-15
    1.2.2 无铅钎料的技术要求和无铅化标准  15-16
    1.2.3 电子工业采用无铅钎料的必要性  16-17
  1.3 各国的立法  17-20
    1.3.1 欧盟立法  17-19
    1.3.2 美国立法  19
    1.3.3 日本立法和无铅化标准的制订  19-20
    1.3.4 中国立法  20
  1.4 国内外电子封装无铅钎料的研究现状  20-24
    1.4.1 美国研发情况  21-22
    1.4.2 欧洲的研发情况  22-23
    1.4.3 日本无铅钎料的研究进展  23
    1.4.4 我国无铅钎料的研究现状  23-24
  1.5 无铅钎料存在的主要问题和发展趋势  24-26
第2章本文研究方向及内容  26-32
  2.1 合金钎料成分的设计方法  26-28
    2.1.1 试验设计方法  26
    2.1.2 数据库预测设计方法  26-27
    2.1.3 热力学辅助钎料的设计  27-28
  2.2 研究钎料与基体金属之间界面反应的重要性  28-29
    2.2.1 界面金属间化合物  28
    2.2.2 界面微观结构  28-29
  2.3 Sn-Zn 系合金钎料的研究现状  29-30
  2.4 本文研究的主要内容  30-32
第3章热力学计算合金钎料成分的设计  32-47
  3.1 相图计算  32-34
    3.1.1 CALPHAD 方法  33-34
    3.1.2 THERMO-CALC 软件概述  34
  3.2 Sn-Ag-Cu 三元合金钎料成分的计算  34-35
    3.2.1 亚规则溶体模型的建立及其参数的确定  35
  3.3 平衡相的计算法  35-43
    3.3.1 吉布斯自由能最小值的方法  36-37
    3.3.2 牛顿-拉普森法计算平衡成分相  37-43
  3.4 计算结果  43-46
    3.4.1 相图计算结果  43-45
    3.4.2 采用DSC 测定Sn-Ag-Cu 合金钎料的熔点  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章 Sn-Ag-Cu 无铅钎料性能的研究  47-62
  4.1 试验材料和钎料制备  47-48
    4.1.1 试验材料  47
    4.1.2 合金钎料成分设计及制备  47-48
  4.2 合金钎料的熔化特性  48-52
    4.2.1 DSC 试验条件  48
    4.2.2 钎料熔化温度的测定  48-52
  4.3 润湿性试验  52-57
    4.3.1 数学模型的假设  52-53
    4.3.2 润湿角与润湿面积关系方程的建立  53-54
    4.3.3 钎料润湿性能的影响因素  54-55
    4.3.4 钎料铺展面积的测定  55-56
    4.3.5 合金成分对钎料润湿性能的影响规律  56-57
  4.4 润湿力测定  57-60
    4.4.1 合金成分对润湿力的影响规律  58-59
    4.4.2 钎焊时间对润湿力的影响规律  59-60
  4.5 本章小结  60-62
第5章 Sn-Ag-Cu/ Cu 钎焊接头的组织与力学性能研究  62-91
  5.1 剪切强度试验及组织结构分析  62-79
    5.1.1 试验方法及设备  62-63
    5.1.2 金相试样的制备  63-64
    5.1.3 合金元素Cu 对钎焊接头剪切强度的影响规律  64-65
    5.1.4 元素Cu 对合金钎料显微组织的影响  65-67
    5.1.5 钎焊接头的组织结构  67-78
    5.1.6 钎焊过程中金属间化合物的生长过程  78-79
  5.2 常温时效  79-85
    5.2.1 试验方法  80
    5.2.2 常温时效对钎焊接头剪切强度的影响规律  80-81
    5.2.3 时效处理后合金元素Cu 对钎焊接头钎缝组织的影响  81-83
    5.2.4 金属间化合物在时效过程中的生长行为  83-85
  5.3 合金元素In、Bi 对Sn-Ag-Cu 合金钎料性能的影响  85-88
    5.3.1 试验材料  85-86
    5.3.2 合金钎料成分设计及制备  86
    5.3.3 钎料的润湿性试验  86-87
    5.3.4 合金元素Bi 对钎焊接头剪切强度的影响规律  87-88
  5.4 本章小结  88-91
第6章 Sn-8Zn 钎料性能的研究  91-105
  6.1 试验材料和方法  91-92
    6.1.1 试验材料  91
    6.1.2 合金钎料成分设计及制备  91-92
  6.2 润湿性试验  92-95
    6.2.1 试验方法  92-93
    6.2.2 合金元素Bi、Ag 对Sn-8Zn 钎料润湿性能的影响规律  93-95
  6.3 抗氧化性试验  95-100
    6.3.1 试验方法  95
    6.3.2 合金钎料氧化膜的观察  95-97
    6.3.3 Bi、Ag 对钎料抗高温氧化性能的影响规律  97-100
  6.4 钎焊接头剪切强度试验  100-103
    6.4.1 试验方法  100
    6.4.2 Bi、Ag 对热处理后钎焊接头剪切强度的影响规律  100-103
  6.5 本章小结  103-105
第7章结论  105-107
参考文献  107-119
攻博期间发表的学术论文及其它成果  119-120
致谢  120-121
摘要  121-124
Abstract  124-127

Sn基无铅钎料组织、性能和界面反应行为的研究

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