多次重熔过程中La2 O3对Sn-58 Bi钎料组织及性能的影响.pdf

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第23卷第1期2015年2月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol23lll1Feb.2015doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20150104多次重熔过程中La2O3对Sn-58Bi钎料组织及性能的影响邱希亮1,魏红梅1,王倩1,何鹏1,林铁松1,陆凤娇2(1.先进焊接与连接国家重点实验室(哈尔滨工业大学),哈尔滨150001;2.江苏双良新能源装备有限公司,江苏江阴214444)摘要:为提高Sn-58Bi钎料的钎焊性,采用机械混合法制备了不同La2O3含量的Sn-58Bi低温无铅复合钎料.借助SEM、EDS和DSC等分析手段研究了La2O3对Sn-58Bi钎料显微组织、熔化特性以及力学性能的影响,并考察了多次重熔过程中Sn-58Bi-xLa2O3/Cu界面IMC层组织演变.研究结果表明:La2O3的加入可以抑制大块富Bi相的偏析生成,但对钎料熔点的影响不大;在多次重熔过程中,同一种钎料的界面IMC层晶粒粒径随重熔次数的增加而增大,但La2O3的加入能有效阻碍界面IMC层晶粒粗化;加入不同含量La2O3后,复合钎料的硬度和模量都有一定程度的提高,其抵抗局部变形、开裂的能力提高,从而提高无铅钎料焊点在实际封装过程中的可靠性.关键词:氧化镧;锡铋钎料;复合材料;显微组织;力学性能;电子封装中图分类号:TG425文献标志码:A文章编号:1005-0299(2015)01-0020-05EffectofLa2O3particlesonstructureandpropertiesofSn-58Bi⁃solderaftermultiremeltingQIUXiliang1,WEIHongmei1,WANGQian1,HEPeng1,LINTiesong1,LUFengjiao2(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingandJoining(HarbinInstituteofTechnology),Harbin150001,China;2.JiangsuShuangliangNewEnergyEquipmentCorporationLimited,Jiangyin214444,China)Abstract:ToimprovethesolderabilityoftheSn-58Bisolder,theSn-58BicompositesolderreinforcedwithdifferentmassfractionofLa2O3particleswaspreparedbymechanicalmixingmethod.TheeffectofLa2O3particlesonmicrostructures,meltingcharacteristicsandmechanicalpropertiesoftheSn-58BisolderwasinvestigatedbySEM,EDSandDSCanalyticalmethods,andthemicrostructureevolutionofintermetalliclayeralonginterfaceofSn-58Bi-xLa2O3/Cusolderedjointafter⁃multiremeltingwasalsodiscussed.ResultsindicatedthattheadditionofLa2O3particlestothesolderinhibitedthesegregationorientationoflargepiecesof⁃Birichphase,buthadnoobviouseffectonthesolderedmeltingpoint.Thegrainsizeoftheintermetalliclayeralonginterfaceofthesamesolderedjointwasincreasedwiththeincreasingofremeltingtime,buttheadditionofLa2O3particlestothesolderhinderedthegraincoarseningoftheintermetalliclayeralonginterface.AfteraddingdifferentmassfractionofLa2O3particlestothesolder,thehardnessandmodulusofthecompositesolderanditsabilityofresistancetolocaldeformationandcrackinghadbeenimprovedforacertaindegree.Keywords:lanthanumoxide;Sn-58Bi;compositematerial;microstructure;mechanicalproperty;electronicpackaging收稿日期:2014-11-19.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51275135;51305102).作者简介:邱希亮—(1968),男,高级工程师;何鹏—(1972),男,教授,博士生导师.通信作者:何鹏⁃,Email:hithepeng@hit.edu.cn.鉴于铅对人体和环境的危害,电子行业中钎料的无铅化已经成为不可逆转的趋势.Sb-Bi钎料作为最有可能替代Sn-Pb钎料的低温无铅钎料之一,不仅可降低焊接材料间热膨胀系数不同引起的损害,还可以应用在不具有高温性能的电子元器件中,同时通过降低工艺温度,达到节约能源、降低成本的目的[1-3].但由于Sn-Bi钎料焊点所特有的脆性[4-6],使得Sn-Bi钎料焊点易发生脆性断裂,影响焊点的可靠性,因此,引起人们的高度关注.添加增强体是提高钎料合金性能的有效途径.合适的增强体能够在特定条件下提高钎料的服役性能.在Sn-Cu、Sn-Ag和Sn-Zn等无铅钎料合金中添加适量稀土元素(RE),其微观组织得到细化,抗拉强度提高[7-11].La是一种应用非常广泛的稀土元素,作为常用的晶粒细化剂,可以净化合金,适量加入可提高材料的塑性[12-14].有研究表明[15],同样是稀土氧化物的Yb2O3可以改善Sn-58Bi钎料的润湿性、抑制时效过程中钎料组织的粗化以及IMC层的过度增厚,但对La2O3的研究鲜有公开的文献报道.为此,本文选用La2O3作为增强体,采用机械混合法制备了La2O3增强Sn-58Bi复合钎料,探讨了La2O3增强Sn-58Bi复合钎料的显微组织及其熔化特性,并研究了重熔过程中La2O3对Sn-58Bi/Cu界面IMC层组织演变及其力学性能的影响.1试验1.1试验材料试验所用La2O3粉末为白色无定形粉末,密度6.51g/cm3,熔点℃2217,平均粒径约为15μm.所用的原始Sn-58Bi合金钎料为规则球状颗粒,尺寸在25~75μm,形貌如图1所示.图1Sn-58Bi合金粉1.2试验方法1.2.1复合焊膏制备将称量好的La2O3粉末与Flux55松香型助焊膏在烧杯中用电子机械搅拌器搅拌均匀,搅拌速度为80r/min,搅拌时间30min,然后加入Sn-58Bi合金粉继续搅拌10min,最后配置成La2O3含量(质量分数)为0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2%的Sn-58Bi复合焊膏.其中混合粉末与助焊剂的质量比为∶82.1.2.2多次重熔试验通过助焊剂将制备得到的复合钎料球固定在高导无氧Cu焊盘上,分别对其进行1次、3次、5次、8次、10次不同的加热重熔试验.重熔工艺为℃:180×180s.利用NanoMeasurer图像分析软件对IMC层厚度及粒径大小进行分析对比.1.2.3显微组织分析将制备得到的焊点镶嵌在环氧树脂中,用金相水砂纸打磨后进行机械抛光.利用FE-SEM并结合EDAX对焊点组织和成分进行观察分析.1.2.4DSC熔点测试采用TAS100-DTA差热分析仪对Sn-58Bi和其复合钎料的熔化特征进行分析.将Sn-58Bi钎料及其复合钎料切成小块,置于Al2O3陶瓷坩埚中.在氩气条件下,将两种样品加热到℃230,加热速率为℃10/min.1.2.5纳米压痕测试将钎料球进行镶嵌、打磨及抛光,保持试样上下表面平行,高度约为10mm.测试采用MTS公司的NanoIndenterXP纳米压痕测试仪,压头为⁃Berkovich压头,设置加载速率为10mN/s,峰值载荷为100mN,峰值保持时间为180s,然后尽快卸载.2结果与讨论2.1La2O3对Sn-58Bi钎料熔点和显微组织的影响为保障Sn-58Bi钎料的低温可焊性,增强体的加入应保证钎料的熔化温度无大幅度提升.因此,对复合钎料的熔化温度范围进行测定是非常有必要的.图2显示了加入质量分数1.0%的La2O3对Sn-58Bi钎料熔点的影响,可以看到,La2O3的加入使曲线有左移倾向,峰值温度有所减小,但峰前沿的最大斜率绝对值也减小了.根据DSC曲线上对熔点的定义:DSC曲线上前基线延长线与峰的前沿最大斜率处切线的交点代表熔点.说明La2O3的加入对Sn-58Bi钎料的熔点影响不大.Sn-58Bi和Sn-58Bi-0.5%La2O3钎料在一次重熔工艺下的显微组织如图3所示.与Sn-58Bi钎料相比,Sn-58Bi-0.5%La2O3钎料的组织细化不明显,但其钎料组织明显变得更加均匀.从图3(a)可以看出,Sn-58Bi钎料中富Bi相偏析严重,有大块网状的富Bi相存在,其必然会增加钎料的脆性;而图3(b)显示Sn-58Bi-0.5%La2O3钎料中是均匀细小的富Bi相,更接近共晶组织的层状结构.说明La2O3的加入虽然对钎料组织细化作用不大,但可以抑制富Bi相在钎焊冷却过程·12·第1期邱希亮,等:多次重熔过程中La2O3对Sn-58Bi钎料组织及性能的影响中的偏析,使组织均匀化,从而减少钎料合金的脆性.1.00-1.0-2.0-3.0-4.050100150200250温度/℃热流量/(W?g-1)1—Sn-58Bi-1%La2O32—Sn-58Bi图2La2O3对Sn-58Bi钎料熔点的影响(a)Sn-58Bi(b)Sn-58Bi-0.5%La2O3图3不同成分Sn-Bi钎料合金显微组织为了考察La元素和O元素在钎料中的分布情况,对复合钎料组织进行了面扫描,结果如图4所示.从扫描结果结合原始SEM图可以看出,La和O元素在钎料中含量较少,没有元素特别富集的区域,说明在钎焊过程中La2O3均匀分布于Sn-58Bi基体中起增强作用,无粗化和聚集现象产生.(a)Bi元素(d)O元素(b)Sn元素(c)La元素图4Sn-58Bi-1.0%La2O3钎料中元素面扫分布图2.2不同含量La2O3对界面IMC层组织演变的影响多次重熔过程中Sn-58Bi/Cu界面IMC层晶粒形貌如图5所示.观察图5中Cu6Sn5晶粒的形貌发现,一次重熔后Cu6Sn5晶粒细小,表面高低不一,有的晶粒明显高于周围的Cu6Sn5晶粒,形成起伏突起,这与钎焊接头界面IMC层扇贝形貌正好相符;而随着重熔次数的增加,可以清晰地看到六边形的Cu6Sn5晶粒,晶粒取向比较一致,起伏程度下降,这与随着重熔次数增加钎焊接头界面IMC层由起伏剧烈的扇贝状逐渐转变为较为平缓的起伏形貌相符合.连续观察图5中的5幅图可以发现对于Sn-58Bi/Cu钎焊接头,界面层Cu6Sn5晶粒尺寸随着重熔次数的增加而逐渐增大,说明在多次重熔过程中Sn-58Bi/Cu界面IMC层晶粒逐渐融合和粗化,遵循Ostwald熟化机制.对不同重熔次数下含La2O3质量分数不同的Sn-58Bi钎焊接头的IMC层晶粒尺寸进行测量,结果如图6所示.由图6可以看出,同种钎焊接头界面IMC层晶粒粒径随着重熔次数的增加均呈上升趋势,其中加入质量分数0.1%的La2O3后IMC层·22·材料科学与工艺第23卷晶粒生长速度大幅下降,尤其在3次重熔后,IMC层晶粒粒径基本保持稳定,以很缓慢的速率粗化;加入质量分数0.5%的La2O3后IMC粒径以阶梯状趋势增大,8次、10次重熔后的晶粒粒径变化不大;加入质量分数1.0%的La2O3后界面金属间化合物尺度以近似直线的趋势增大,10次重熔后晶粒粒径减小25%;而加入质量分数1.5%的La2O3后IMC层晶粒粒径也明显减小.综上所述,与Sn-58Bi/Cu相比,Sn-58Bi-xLa2O3/Cu界面IMC晶粒粒径明显更小,说明0.1%~1.5%La2O3的加入,可以有效抑制IMC层晶粒在多次重熔过程中的粗化长大.其中加入0.1%的La2O3对多次重熔中界面IMC层晶粒粗化的抑制效果最为显著,原因在于La2O3作为异质形核剂一定程度上抑制了晶粒长大,但随着含量的增加也会导致过冷度降低,抑制形核,促进晶粒生长,导致晶粒粗化.(a)1次(b)2次(c)5次(d)8次(e)10次图5Sn-58Bi/Cu界面IMC层晶粒形貌1.81.61.41.21.00.80.60246810重熔次数IMC粒径/μmSn-58BiSn-58Bi-0.1%La2O3Sn-58Bi-0.5%La2O3Sn-58Bi-1.0%La2O3Sn-58Bi-1.5%La2O3图6不同重熔次数下界面IMC层晶粒粒径变化2.3不同含量La2O3对Sn-58Bi钎料力学性能的影响图7所示为Sn-58Bi钎料上的纳米压痕,压痕呈现三棱状,压痕的最大截面处约有30μm,这样大的压痕可以保证得到的硬度和模量值不是钎料中单独的富Bi相或者富Sn相的硬度和模量,而是钎料整体硬度和模量.为了减小测试中的不确定性和微裂纹的产生,选择10g作为测试峰值载荷.每种复合钎料至少测试4个样品,取其平均值为最终测试结果.(a)整体形貌(b)放大形貌图7Sn-58Bi纳米压痕·32·第1期邱希亮,等:多次重熔过程中La2O3对Sn-58Bi钎料组织及性能的影响如图8所示,随着La2O3含量的增加,钎料的硬度和模量均逐渐增加,当La2O3含量为2.0%时,硬度和模量都达到最大.硬度和模量值的提高,说明复合钎料抵抗局部变形和开裂的能力提高.0.200.160.120.080.04000.51.01.52.0La2O3含量/%强度/GPa硬度模量图8不同含量La2O3增强复合钎料的硬度和模量3结论1)采用机械混合法成功制备了La2O3增强Sn-58Bi复合钎料.La2O3的添加可以抑制大块富Bi相的偏析生成,从而使组织均匀化,但对钎料熔点并无明显影响.2)在多次重熔过程中,同种钎料的界面IMC层晶粒粒径随重熔次数的增加而增大,但La2O3的加入可以抑制界面IMC层晶粒的粗化长大.当重熔次数超过3次时,0.1%的La2O3的添加对多次重熔后界面IMC层晶粒粗化的抑制作用尤为显著.3)加入不同含量的La2O3后,复合钎料的硬度和模量都有一定程度的提高,其抵抗局部变形和开裂的能力均得到提高,进而提高了无铅钎料焊点在实际封装过程中的可靠性.当La2O3含量为2.0%时,其硬度和模量达到最大.参考文献:[1]张新平,尹立孟,于传宝.电子和光子封装无铅钎料的研究和应用进展[J].材料研究学报,2008,22(1):1-9.ZHANGXinping,YINLimeng,YUChuanbao.Advancesinresearchandapplicationof⁃leadfreesoldersforelectronicandphotonicpackaging[J].ChineseJournalofMateralsReasearch,2008,22(1):1-9.[2]张杨阳.浅谈Sn-Bi合金焊料的发展[J].中国科技信息,2014(08):71-72.ZHANGYangyang.DevelopmentofSn-Bisolderalloys[J].ChineseScienceandTechnologyInformation,2014(08):71-72.[3]刘平,龙郑易,顾小龙,等.低温无铅焊料[J].电子工艺技术,2014,35(4):198-200.LIUPing,LONGZhengyi,GUXiaolong,etal.Low⁃temperatureleadfreesolders[J].ElectronicsProcessTechnology,2014,35(4):198-200.[4]MCCORMACKM,JINS.Improvedmechanical⁃prop⁃ertiesinnew,Pbfreesolderalloys[J].Journalof⁃ElectronicMaterials,1994,23(8):715-720.[5]MIAOHW,DUHJG.MicrostructureevolutioninSn-BiandSn-Bi-Cusolderjointsunderthermalaging[J].MaterialsChemistryandPhysics,2001,71(3):255-271.[6]OSORIOWR,PEIXOTOLC,GARCIALR,etal.MicrostructureandmechanicalpropertiesofSn-Bi,Sn-AgandSn-⁃Znleadfreesolderalloys[J].JournalofAlloysandCompounds,2013,572(25):97-106.[7]于大全,赵杰,王来.稀土元素对Sn-9Zn合金润湿性的影响[J].中国有色金属学报,2003,13(4):1001-1004.YUDaquan,ZHAOJie,WANGLai.WettingpropertiesofSn-9Znsolderalloywithtracerareearthelements[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2003,13(4):1001-1004.[8]WUCML,YUDQ,LAWCMT,etal.Propertiesof⁃leadfreesolderalloyswithrareearthelementadditions[J].MaterialsScienceandEngineering,2004,44(1):1-44.[9]ZHANGL,XUESB,GAOLL,etal.EffectsoftraceamountadditionofrareearthonpropertiesandmicrostructureofSn-Ag-Cualloys[J].JournalofMaterialsScience:MaterialsinElectronics,2009,20(12):1193-1199.[10]RAMIREZAG,MAVOORIH,JINS.⁃⁃Leadfreeuniversalsoldersforopticalandelectronicdevices[J].JournalofElectronicMaterials,2002,31(11):1160-1165.[11]SHENJ,WUCP,LISZ.EffectsofrareearthadditionsonthemicrostructuralevolutionandmicrohardnessofSn30Bi0.5CuandSn35Bi1Agsolderalloys[J].JournalofMaterialsScience:MaterialsinElectronics,2012,23(1):156-163.[12]林勤,宋波,张梅,等.新型高镧混合稀土添加剂的开发与应用[J].稀土,2001,22(4):50-52.LINQin,SONGBo,ZHANGMei,etal.DevelopmentandapplicationofhighLamischmetaladditives[J].ChineseRareEarths,2001,22(4):50-52.[13]王建华,王先德,苏旭平,等.镧对锌铝合金显微组织和力学性能的影响[J].铸造,2011,60(2):171-174.WANGJianhua,WANGXiande,SUXuping,etal.Effectoflanthanumonmicrostructureandmechanicalpropertiesof⁃Zincaluminumalloy[J].Foundry,2011,60(2):171-174[14]CHENY,CHENGM,SONGHW,etal.Effectsoflanthanumadditiononmicrostructureandmechanicalpropertiesof⁃ascastpurecopper[J].JournalofRareEarths,2014,32:1056-1063.[15]LIUXY,HUANGML,WUCML,etal.EffectofY2O3particlesonmicrostructureformationandshearpropertiesofSn-58Bisolder[J].JMaterSci:MaterElectron,2010,21:1046-1054.(编辑吕雪梅)·42·材料科学与工艺第23卷
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