毕业论文郭振华.docx
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1、 密级: NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR(20082012年)题 目:Sn-58Bi-xCe/Cu钎焊接头组织及其金属间化合物相的研究 学 院: 机电工程学院 系:材料加工工程 专业班级: 材料成型及控制工程084班 学生姓名: 郭振华 学号: 5901207158 指导教师: 胡小武 职称: 讲师 起讫日期: 2012.2.9-2012.5.16 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已
2、经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期:学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密,在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。(请在以上相应方框内打“”)作者签名: 日期:导师签名: 日期:摘要Sn-58Bi-xCe/Cu钎焊接头组织及其金
3、属间化合物相的研究专业: 材料成型与控制工程学号: 5901207158学生姓名:郭振华指导教师:胡小武摘要研究Sn-58Bi-xCe/Cu(x=0.1,x=0.5)钎焊接头组织及其金属间化合物相,我们模拟钎料与铜板的焊接,通过电子显微镜观察焊接接头断面的金相图,并且对金相图进行了相关的对比,测量,分析。结果表明:随着稀土元素Ce含量增加,焊料基体组织细化;钎焊后钎焊界面形成连续的扇贝状和宽锯齿状Cu6Sn5金属化合物层,时效之后,连续的Cu3Sn金属化合物层在Cu6Sn5金属间化合物层与铜基板中析出,其形态平直,薄而浅;界面金属间化合物总厚度随着熔化温度的增加而增加,且相同熔化温度下随着稀土
4、元素Ce的含量的增加而减小;界面金属间化合物总厚度随着时效的延长而增厚,且相同时效条件下随着稀土元素Ce的含量增加而减小;总之,稀土元素Ce的含量增加时,会抑制IMC的增厚。关键词:Sn58Bi无铅焊料 钎焊接头 组织 IMC 稀土元素 Ce 等温时效AbstractSn-58Bi-xCe/Cu solder joint microstructure and its IMC layer phaseAbstractThe solder joint microstructure and IMC phase between solder Sn58Bi-xCe and Cu substrate wer
5、e investigated. In this study, we have stimulated the welding progress between solder and Cu, and then, we observed the phase diagram by using Electron Microscope ,some photos are saved.After that,we compared these photos, did measurement and had an detailed and serious analysis. The results show th
6、at: the solder matrix microstructure refines with increasing rare earth element Ce content; Cu6Sn5 IMC layer formed at the interface exhibits a continuous scallop-shaped and wide-serrated structure after soldering, and a thin ,shallow and plain Cu3Sn intermetallic compounds layer forms at the interf
7、ace between Cu6Sn5 layer and Cu substrate after isothermal aging. The total thickness of IMC layer increases with increasing the melting temperature, and decreases with increasing Ce content at the same melting temperature ; the total intermetallic compounds thickness increases with prolonging aging
8、 time, and decreases with increasing Ce content at the same melting temperature ; after all, with increasing the rare earth element Ce content, the growth of IMC layer thickness is slowed down. Key word: sn58Bi lead-free solder solder joint microstructure IMC RE Ce isothermal aging目录目 录摘要Abstract目 录
9、第一章 绪论11.1大势所趋-钎料无铅化11.2.优势明显-SnBi合金钎料的特性11.3不容忽视-Sn58Bi焊料的缺点21.4相关研究-稀土Ce对无铅焊料的组织和性能影响21.5深受启发-我们的新探索2第二章 实验过程42.1实验材料的制备42.2钎焊过程52.3金相的制备52.3.1试样的截取和镶嵌62.3.2试样的打磨与抛光62.3.3试样的腐蚀72.4金相组织的观察72.5 金相图的处理分析7第三章 实验结果与分析83.1增加稀土元素Ce含量对焊料基体组织的影响83.2 Sn-58Bi-xCe/Cu界面组织演化规律的研究103.3熔化温度,Ce含量与Sn-58Bi-xCe/Cu界面I
10、MC厚度的关系113.4时效处理,Ce含量与Sn-58Bi-xCe/Cu界面IMC厚度的关系14第四章 结论与思考194.1结论194.2思考19致谢20参考文献21第一章 绪论第一章 绪论1.1大势所趋-钎料无铅化长期以来,铅及含铅物质,由于具有优良的机械、化学和电气特性,同时在地表内储量丰富,价格又便宜,因而在机械、化工和电子等领域中得到了广泛的应用。近五十年来,铅及其合金在电子产品的PCB加工、焊接与组装等领域内的应用非常普遍。在焊料的发展过程中,锡铅合金一直是最优质的、廉价的焊接材料,无论是焊接质量还是焊后的可靠性都能够达到使用要求。但是,随着人类环保意识的加强,铅及其化合物对人体的危
11、害及对环境的污染,越来越被人类所重视。因此,随着欧盟ROHS指令法案和我国电子信息产品污染防治管理办法的实施,电子产品的无铅化进程已经全面展开。鉴于市场竞争压力与保护环境需要,无铅焊料的研究越来越广泛。1.2.优势明显-SnBi合金钎料的特性在众多无铅焊料中,Sn,Bi合金焊料时期中一种,有着不错的应用前景。Sn58Bi共晶焊料的熔点为139,在160左右就可以进行组装;具有良好的流动性和热疲劳性能;且SnBi焊料和传统SnPb焊料相比,在较宽温度范围弹性模量相当,拉伸强度和抗蠕变性能均好于后者1-3。这种钎料在分级封装中的外层封装和靠近对温度敏感的材料钎焊中有很大优势,不仅可以降低由于焊接材
12、料问热膨胀不匹配引起的损害,也可以使得一些不具备高温性能的相对廉价的电子元件和电路板得以使用,从而降低产品的成本;并且采用低温的SnBi合金作为焊接层的键合封装工艺气密性较好,键合区合金均匀,无缝隙、气泡等脱焊区,键合过程中不需使用助焊剂,避免了助焊剂对微器件的污染,能够满足电子元器件和MEMS可动部件低温气密性封装的要求;此外,SnBi合金有比SnPb钎料良好的拉伸强度和抗蠕变性能.这些优点让SnBi合金在低温无铅钎料中占有明显的优势,是很有潜力的无铅钎料合金。所以SnBi焊料非常适合用于低温组装的场合替代SnPb焊料(如家电产品、移动电话等),而无须对原有材料、设备等进行升级改造。Sn58
13、bi焊点力学性能好,原材料和制备成本低,广泛的用于制作通讯设备,电器,消防,火灾报警装置中的保险丝,熔断器等对温度和热敏感的组件,特别是对太阳能集热板焊接和电子封装有极其广泛的应用前景。1.3不容忽视-Sn58Bi焊料的缺点Bi虽然有降低SnBi焊料熔点、减小表面张力的作用,但是SnBi焊料的熔程较宽且Bi很脆,凝固中易出现成分偏析和组织粗大缺陷,所以合金延伸性不佳,尤其是在高温时效后组织和金属问化合物(IMC)粗化极其严重,导致钎焊接头性能差【4,5】。因此,如何细化粗大的晶粒、抑制高温时效引起的IMC的生长速度过快现象,降低合金的脆性和提高SnBi钎料合金的焊接性能是亟待解决的问题。如何改
14、善这些缺陷,使之具有更加优越的性能?已经有人做了相关的研究。1.4相关研究-稀土Ce对无铅焊料的组织和性能影响稀土元素被称为金属中的“维生素”,即使只是加入少量的稀土元素也会对无铅焊料的物理性能、力学性能以及微观结构有很大的改善作用。赵小艳等【6】在Sn3.0Ag2.8Cu中添加微量的稀土Ce后发现在加入后焊料合金的润湿性和硬度得到了提高,卢斌等【7】研究了Sn3.0Ag0.5Cu焊料中添加Ce、Er、Y、Sc后的物理性能和力学性能,发现添加微量的Ce可以更好地改善焊料的综合性能。在钎焊过程中,熔化的焊料与基体反应,在钎焊界面处形成界面金属基化合物(IMC)。IMC的形成一方面表明钎焊质量可靠
15、,即焊料通过与基体反应形成鞍薄的IMC层有利于获得良好的冶金结合;另一方面,若IMC层太厚,则会产生负面效果【8-9】。微量稀土元素Ce能细化SnAgCu焊料合金组织,还能抑制焊料合金与铜基板间的IMC的生长【l0】,有利于提高钎焊质量的可靠性。1.5深受启发-我们的新探索鉴于在无铅钎料中添加稀土元素的启发,本次实验我们在焊料中加入不同浓度的Ce.Ce的质量分数分别为0.1%和0.5%。我们把课题定名为“Sn-58Bi-xCe/钎焊接头组织及其金属间化合物相的研究”。我们试图去了解加入稀土元素后Ce钎焊接头组织的变化,以及相关的金属间化合物(IMC)的变化,并且以此为契机,希图能找到改善Sn5
16、8Bi钎焊材料的焊接性能的方法。我们的材料选用的是Sn-58Bi-xCe(x=0.1,0.5)无铅钎料,纯铜片。我们确定了四个研究点:1.稀土Ce对Sn-58Bi-xCe钎料凝固组织的影响2.Sn-58Bi-xCe/Cu界面组织演化规律的研究3.Sn-58Bi-xCe/Cu界面金属间化合物相的生长形态研究4.时效处理对Sn-58Bi-xCe/Cu界面的影响。具体的我们会想得到以下四个相关结论: 1. 稀土元素增加后焊料基体组织的变化情况2.金属间化合物的组织演化规律3.熔化温度上升后,IMC厚度的变化4.时效时间增加后,IMC厚度的变化5.增加稀土元素Ce后,IMC厚度的变化。接下来是我们的实
17、验的过程,以及我们的实验结果和我们的一些结论与讨论。20第二章 实验过程第二章 实验过程2.1实验材料的制备我们使用的原材料是固态的Sn-58Bi和表面粗糙的,有少许杂质的含铜量为99.99%的紫铜铜板。为了制出符合条件的,适于实验的样品材料,必须先进行相关的处理。Sn-58Bi-xCe的制备:我们取出两份质量相当的固态的Sn-58Bi材料,先称出其具体的质量。然后根据实验的需要,分别配置出含量为0.1%和0.5%的稀土Ce。接着,我们分别将两者混合在陶瓷干锅炉中进行熔化,在熔化过程中,每十分钟用玻璃棒搅拌一次,以保证融合的均匀化。在熔化保温30分钟左右,将熔料浇注到模具中,冷却凝固形成铸锭,
18、共两份。将两份成分不同的铸锭用线切割的方法切出直径为6mm,长度为6cm的长圆柱体。然后分别等分出10分,共10x2=20份。在这之后,我们分别将小圆柱体状的20片焊料进行磨光表面,去除表面的杂质,接着在放于无水酒精之中进行超声波清洗,清洗时间约为20分钟。在清洗过程中,注意分别清洗,不能将两种含量不同的钎料弄混。清洗后的材料,我们用电吹风机进行风干处理,然后装袋成为我们所需的实验材料。在上述过程中,需要注意两种成分不同的标记识别,不能弄混,以保证实验的准确性。Cu片的制备:我们先将大铜板线切割切割成我们所需要的15mmx15mm正方形的小铜片,以制作成实验中模拟焊接过程中的Cu衬底。我们需要
19、切除9x2=18块铜片,切成后,磨光铜片表面。在这之后,同样的,我们将磨好的铜片分别浸入无水乙醇中进行约20分钟的超声波清洗。清洗的铜片,在进行风干之后成为我们实验所需的材料。之后我们将清洗后的铜片进行封袋。以上的封袋的材料就是我们要模拟焊接的两种材料,钎料和铜片基底。总结一下,我们配置出了我们需要的材料,其基本的属性如下表1.表1,配置出的实验材料组别材料第一组正方形铜片10片,Ce含量0.1%的小圆柱体钎料10片第二组正方形铜片10片,Ce含量0.5%的小圆柱体钎料10片2.2钎焊过程在具体焊接之前,我们根据研究方向的需要做了相关参数的设计,对比以获得我们需要的信息。鉴于我们研究的四个方向
20、,我们做了下面几组参数的设定。如表2所示。表2,实验相关参数设定组别参数设定1温度260,保温30min左右,不进行时效处理2温度280,保温30min左右,不进行时效处理3温度300,保温30min左右,不进行时效处理4温度320,保温30min左右,不进行时效处理1温度300,保温30min, 时效处理1天2温度300,保温30min, 时效处理3天3温度300,保温30min, 时效处理5天4温度300,保温30min, 时效处理7天5温度300,保温30min, 时效处理9天在模拟焊接过程之前,我们先在铜片上涂上适量的焊锡膏,其作用是助焊;然后我们将小圆柱体的钎料放于铜片上,然后根据表
21、2的参数要求将材料至于电阻炉中进行模拟钎焊过程。模拟焊接工作完成后,对实验的9个样本进行分别装袋,注意做出标记,保证识别,以确保实验的可靠性与准确性。2.3金相的制备制作金相需要的材料有之前准备的材料,包括焊料与铜片的焊接体,另外还要准备镶嵌粉,我们使用的机器是金相镶嵌机。2.3.1试样的截取和镶嵌我们的金相制作是为了观察金属的界面,以获得焊接接头处的一些微观组织图像。所以先要对试样进行截取,获得断面。先对之前的9片试样进行中间切断,然后分别装袋。接着将截取的9段样品分别与镶嵌粉混合进行镶嵌。在130保持3分钟,注意加入适量的镶嵌粉,太少了不方便之后的打磨和抛光,太多了,没有必要且浪费材料。同
22、时,我们注意要加压适当,而且时间要保持充裕,以制出紧致的试样。本次研究所用的是XQ-1型金相试样镶嵌机。镶嵌完成之后,对试样装袋形成我们所需要的观察试样。2.3.2试样的打磨与抛光为了观察金相,必须先有一个光亮的观察界面。必须打磨和抛光。先在砂纸上对试样断面处进行打磨,先粗磨,后细磨,将可见划痕磨到符合要求,形成划痕细致且方向一致,注意在打磨过程中加水,并且压力要小,方向一致,以保证打磨质量。之后,对打磨好的试样在抛光机上进行抛光。为去除金相磨面上因细磨而留下的磨痕,使之成为光滑、无痕的镜面,还需要对试样进行抛光处理。金相试样的抛光可分为机械抛光、电解抛光、化学抛光三类。机械抛光简便易行,应用
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