（材料物理与化学专业论文）sn9zn钎料蠕变性能及其复合增强研究.pdf

摘要 4 、就s n 一 9 2 川 c u 焊点剪切强度以 及剪切蠕变强度而言 ，新型助焊剂中二氯化锡 活化剂的添加量有一个最佳水平， 约为 5 % wt。在这一水平 下制得的 焊点在 剪切实验中呈良 好韧性断裂模式; 实验还显示: 焊剂中较高的松香浓度明显有 益于s n . 9 2 几 u 焊点的抗剪切蠕变强度，而对其瞬时剪切强度影响不大。 5 、 s n 一 g z n 熔体/c u 界面上形成c u 必 飞化合 物层，其生长 增厚动力学 接近抛物 线特征， 受界面曲率影响， 较大的曲率对化合物层生长呈现一定的抑制作用。 在反 应初期此化合物生长 速率较快， 有利于作为 原位生长颗粒增强相. 6 、 采用向s n 一gzn 钎料合金熔体添加铜粉的方法得到了原位生长金属间化合物 颗粒增强s n . z n 基复合钎料。 在钎料中形成了 均 匀分布c u s z ns化合物颗粒相; 力学性能测试结果显示复合钎料的强度和塑性都得到了改善，抗蠕变性能显 著提高: 润湿性测量发现复合钎料对铜的润湿性也有所改善。 c u 粉添加量为 住 5 % wt时具有最佳的强度和塑性。 关键词:无铅钎料;s n- g z n;蠕变;本构方程;颗粒增强 ab s t r a c t ab s t r ac t t here s e a 丁 c h o f d eve l o p i llgl e a d 一 free s o l d e rsa n d l n v e s t i g at in g th e ir比 l i abi l i tyi s l aun c h e dwor l d w l 山 bec a 理 记of e n v i ro n m e n tre lated re gulatio ns a n dthe hi gh i nt e gr a t iono f m i c ro e l e c t r o ni c s . e ut e c l i c and 加ar-e u t e c t i c s n 一9 一 c u a l l o y s h a v e b e e n re g arded asthe mos t p r o m isi ng c a l1 d i dateo f le ad一 丘 e esol d e “ ， how e v e r，e u 把 ctic s n 一 9 z n h asal sog ai ned m uc h atte nt i o n bec a u seo f i tsl ow c o 成几 v o ia b l e m e l t i ng p o i ntand g o odm e c han i c alp r o pert i e s . to m eet t 址 i ncre as i nglys e v e r ere q u i r e men tfo rre l i abi l i ty o fe lec1 r o n ic s p r o d u c t s i n o rd e r toe n s u r e th e i r s t e a d y o p e rating ins e r v i c e ， newl e a d . 斤 c c sol d e r s s h o u 1 dh a v en o t o n lyapp ro priatep ro c e s s w in d o w， b ut a l so bett e r mec h ani c al p ro pe rt i e s ， . e s pec i al l y fati g u e a n d eree p re s 1 s 1a n c e . t b e stud y o f c re epp r o pert i e s o f l e a d 一 丘 e e so l d e r a l l o 邓i s th u s p arti c ul arly i m portant . t h i s p a per 扭 k e s s n一 g z nasth eo bj ec t o f s t u d y . aben d . c re 叩 哭 t . 叩 w a s e s tabl i s h e d andi tsfe as i b i l i tyveti fi e d . b e n d ereepte sts wereperformedtoacq u ire p a ram et e rss u c h asthe c r e e p st ress e x p o n e n t ， ac t i vat io n e n er g y a n d c ons t a n l s a ， o n whi c hb as i sc r e ep c o nst i tuti ve equat i 0 ns fo r s 介 g z nw h ic hre fl e c tsth ere l at i o n s 城w e e nthe stea d yc re ep ratea n dte m per a tl ir ea n ds tres swer ee s t a b 1 i s h ed. f o r c omp aris o 几the creepre s i s l a n c e o f s n 一 g z n ， s n 一 o p b an ds 仆 3 5 ag一 0 .7 c u u n d e r d i ffer e n t c ool i n gm e t h o ds inso i i d i fi c at io nweres to d 1 e ds hears t r e n g 山即dcreep 比h avi o r o f s n 一 9 2 川 c u s o l d erj o i n t s p re p ared u n d e r n e wfl uxe s werei n v e st i g a t e d . we p ro pos e d t hei d e a an d p re p ai a t i o n met h odo f i n s itu p a rt i c l e s tore 1 n fo rc e the sold e r 朋d c 创 rt i edo uts 加 d i e s on it，i ncludi ng re 解 ti on 肠 n e ti csbel w e e n c up a d i c les a n d s n 一 g z n mel t ， p r e p arat i o n o f in s i t u re i n fo r c 1 ngi ni e rme tall i c c 0 m pound p arti c l e s an d thei r i n fl uenc e o n the m i c ro st ruct ure， w ettab i l i ty ， a n d t e ns i leand c re e p nro讲 rt ie s o f s n 一 g z n ， t h e fo l l o win g re s u l t s wereo b t a i n e d : 1 .t h eb e n d 一 c re e pt e st er i sre l i abl ea n dthe dat ao b l a i n e dre fl e c t the c r e e p beh a v l o r l t c an比e 帅l o y e d toc o m p are c re 印p r o pert l e s o f d i 月 免 r e ntm at e ri al s . 丁 七 e abs tract s t re s s e x p o nen t an d a c t i v at i o n e ne rg y c anbeo b 面ne d frome x p e ri m e nt s u s i ngth i s t e s t e r ， o n whi c h b as i s c re e p c o nsti t ut i v e o f m ateri al s c anbee st abl i s h e d . 2 . the c reep d e fo rmat io n beh a v i oro f s n g z n i s d i v i ded i n i o t w o s t r e s s 日 叮 ” w i thd i ffer e n t c re ep c h ar a ct e ri st i c s : th e l ow一 s tres s areac o rres p 0 nds tol o ws tres s e x 即n e nt ，su g g e s ti n gt he gr a inbou n d ary c re e pm e c h a n i s m ，whi l eh i gh一 s tres s c o rres p o nds t o m u c h h i g h ers t r e s s expone 成 w h i c h s u g g e s t s a d i s l o c at i o n c l i m b i n g meeh a n i s m 3 .i n s n 一 4 0 p b ，5 介 g zn and s 仆 3 .s a g 一 0 . 7 c 认 thecre叩 re s l s l a n c eo f s n 3 . s a g 一 0 . 7 c ui s t he h i ghe 旅 fo l l o wedb yth ato f s n 一 g zn. h i gh c o o l i ng ra l e d re fi nes th e 而c ro s truc l u r e o f s 卜 gzn and s n- 3 .s a g 0 7 c u ， re s u l t i ngi n h i g her c 代 印 re s l s l a n c e o f s n 一 3 . 5 a g- 0 7 c u a n d l o wer c re epresi s tanc e o f s n 一 g z n . 4 . s n 一 9 2 川 c u oi nt s ha v e m a x i m um shears 讹n g t hands he arc re ep s t r e n g t h whe n 一 5 % wt o f s nci 2 i scon ta i nedinthe s o id erfi ux， 朗dthe j o i nts e 刘 随 b it to u g hne ss ft a c 扣 r e . itw a ss h o w e dt hat hi g b e r 似inco解e n t r a t i on inth e且 ux i ncre as e s t h e c re e p st r e n g t h o f s n 一 9 2 川 c u j o in t s and d o e s not a ffec t the i n st antane o us s t r e n g t h m uch . 5 . f o m l a t io nk i n e t ic so f c u ， 2 叱 on s n 一 9 2 川 c ul n t e r fa c ei sc h a r a c t 晰s t i co f p a r a b o l i cg r o wth， a n di s a ffec te dby the c urvat u reo f c up arti c l e s ， w i thl a r g e c u rv a t u r e i 面b i t i ngitsg r o wth . a t i n i t i a l st ag e c u ， z n g g r o wm o rerapi d w h ic h fa v o rs their being us e d asi n s 而p arti c l e re i n fo rc i n g 曲ases 6 . insi tup a rt i c lere in fo rced c o m pos i t e s n . z n b ased so l derswereo b l a i ned 勿 add i ngc u powders i n t os n 一 g zn melts . c u ， 2 砌p axti c l e s are fo rmedi n th e so l d ers. 丁 七 e irst r e n gth a n dp l as t i c i tywerel m p ro v e d andc re c pre s i s i a n c e werec o nsi d e r a b l y e nha n c ed. wet t a b i l i tyo f t he s e c o m p o s i tes o l d e 招i s be tt e r t h anth ato f s 卜 g z n . 丁 h 亡 c 0 m pos i t e s o 1 d e rsh a v e o pt i m um s t re n gth and p l as t i c ityw h e n 0 .5 % wto f c u powde rs 1 5 ， d d e d . k eyw o r d s : l e ad一 free s o l d e r ; s n 一n ; c r e e p ; c o nsti t u t i v e e q uali on; p 叭i c l e rei n force d 学位论文独创性声 明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。 据我所知，除了 文中 特别 加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含 其 他 人已 经 发 表 或 撰 写 过的 研究 成果 ， 也 不 包 含 为 获 得 南昌大学 或其 他 教 育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ :呱签 字 日 期 : 知 7年 。 ” 全 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解南昌大学有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和 借阅 。 本 人 授权南昌大李可以 将学 位 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 储 签 名 : 舟 搞 干 签 字 日 期 : 补 7 年 。 栩诸 日 导师签名: 签字 日期: 乡 艺 处 一 月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编 第一章 绪论 第一章绪论 1 . 1无铅电 子钎料发展的背景 锡铅钎料的使用具有悠久的历史，特别是进入电子时代以来，作为钎焊材 料的锡铅钎料更是广泛应用于电 子封装中。锡铅钎料的优点是熔点低，对铜基 体的润湿性良 好，与被焊件之间快速形成键合，并能够形成美观的焊点，且其 导电和导热性能优异、价格低廉。经过几十年的发展，锡铅钎料形成了相当完 整的体系， 现行的各种电子封装工艺基本上是围绕应用锡铅钎料而设计的。 社会的不断发展使得人类环保意识不断提高，绿色环保型经济成为今后世 界经济发展的主流。然而研究表明铅是一种有毒元素，长期使用会严重威胁人 类健康，而且现代电子工业的发展和电子产品的更新换代越来越快，电子垃圾 中铅对环境的 污染和对人类健康的 威胁已 不容忽视11. 7 1 ， 这使得使用无铅钎料替 代传统的锡铅钎料的呼声越来越高涨。各发达国家为了 适应这个要求并能在未 来激烈的 世界经济竞争中占 有一 席之地， 相继出台了 相应的法律法规限 制含铅 钎料的使用，并制定了明确的无铅化时间表，如:日本规定2 0 01年在电子工业 中淘汰含铅钎料;欧盟的淘汰期为2004年;美国拟在2 0 08年全面使用无铅产品。 我国的无铅化运动虽然起步较晚， 但政府采取了积极措施， 国家“ 8 6 3 ， 9 7 3等科 技攻关计划都在无铅连接和封装、无铅压电陶瓷的研制等方面给予一定的资 助8- 10 . 表 1 . 1 展 示了 电 子 产 品 无 铅 化的 发 展 历 程 112 1 。 另外，随着高密度电子封装技术的发展，对焊点可靠性的要求日益苛刻。 传统的锡铅焊料由于剪切强度较低、 抗蠕变性能以及抗热疲劳性能较差等缺点， 已经不能满足使用要求。在其它领域也对钎料合金性能不断提出要求，如汽车 行业中需求复合钎料，陶瓷与金属的钎接时需要非晶态钎料;还有热敏感电子 元器件要求钎料具有低熔点特性等等。因此，对性能、 成本均理想的无铅钎料 的 研制成为热点tll 13。 第一章 绪论 表1 . 1 电子产品无铅化发展历程 年份国家或组织主要内容 1 9 91美国 首次提出无铅化提案，但被否决 1 9 9 1 ne mi ， nc ms ， ni s t， oi t， np l ， p c i f ， i t ri ， j i e p 开展无铅钎料的专题研究， 耗资 超过2 00。 万美元， 目 前仍在继续 1 99 8 日本 修订家用电 子产品再生法， 敦促企 业界开发无铅电 子 产品;当年十月，第1 款批量生产的无铅电子产品 p anaso n i c mi n i d i s c m 3 0 lbl少 2 0 0()nemi 向 工 业界 推荐 标准 化无铅 焊料， sn一 3 .g a g 一 0 .6 c u 用 于 再流 焊， 51 一 众 7 c u 和s n 一3. s a g 用于波峰焊; 2 0 0 0美国 i pcl ead 一 f re e r 。 “ m 即第 4 版发 表， 建 议美国 企 业界 于 2001年推出无铅化电子产品，2004年全面实现无铅 化: 2 0 0 3欧盟 we e e 和r o h s 的官方指令生效， 强制要求自 2006年7 月旧 起，在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅电 子产品 ( 个别类型电子产品暂时除外) 2 0 0 3 中国 “ 电子信息产品生产污染防治管理办法” 产生，提议自 2006年7 月旧 起投入市场的国家重点监管目录内的电 子信息产品不能含铅 1 .2无 铅钎料合金研究动态 . 在无铅钎料的开发方面，各主要发达国家如美国、日 本和欧洲等国投入了 大量的人力、物力，并取得了一定的研究成果。研究工作从合金的成分设计与 热力学计算、合金的成分与组织控制、合金的力学性能 合金的工艺性能等到 与之相对应的元器件镀层的无铅化的各 个领域。 从研究的状况来看，由于传统的共晶或近共晶的锡铅钎料用于电子连接和 封装的理论和技术都很成熟，新型的无铅钎料各方面的性能必须能够与锡铅钎 料相当，代替锡铅钎料应用时应尽可能与现有的设备和工艺有很好的兼容性。 由于 s n 和其它许多金属之间 有良 好的亲和作用， 熔点低， 无毒无公害，特别是 在地球上储藏量大，价格低，因而仍是一种无法取代的钎料基材，目 前国内外 已 经研究开发出上百种无铅钎料，主要是以 s n 为基并添加合金元素构成的二元、 三元甚 至是四元以 上的 合金11-131 。 第一章 绪论 1 2 . 1无铅钎料合金选材依据 一般来说， 钎料 性能主要从这三点来考察:一是工艺性能;二是可靠性; 三是对 环境的 影响。 综 合 起来 可从以 下 几个方 面11 一 13 来 看无铅钎 料合金的 选择: 一是毒性、资源、价格。基于环保和人类健康考虑，研制的新型钎料必须 无毒 或毒 性很小，目 前 常用 钎料 合金元 素的 毒性 顺序为 bi zn in sb sn 一 58 bi s n- g z n 。力学性能包括拉伸强度、剪切强度和抗蠕变和疲劳性能等，表1 4 对 比了部分无铅钎料的力学性能。 第一章 绪论 表1 .4一些常见 的无 铅焊料的力 学性能 117 一 21) 合金 屈服强度 mpa 极限抗拉强度mp a 极限伸长率 % s n 一 3 7 p b ( 作为参照) 3 0 . 23 1 一64 8 s n 魂9 系 s n 一 3 万 a g 4 85 53 5 5 介 3 5 a g- 0 . 7 c u / 4 8 / s n 一 3 . s a g -07 c u / 4 8/ s n 一 3 . z a g- 0 名 c u 2 03 o 2 6 ， 1 5 望 ， s n 一 5 7 b i5 55 8 。946 s n 一 5 2 b i4 4 .26 0 。95 7 s n 一 5 5 b i 一c u6 2砧 ，44l s n 一 5 7 b i 一 2 1 n4 9 .85 8 .11 1 6 5 11 一 cu 系 5 仆0 . 7 c ul 6 2 2 41 2 s n 一 4 c u ， 0 .s a g 2 5 7 2 9 。7 / 5 介i n 系 s n 一 2 0 i n 一 1 0 bi / 4 7 名4 s n 一 2 0 i n 一_ s zn3 513 7 。 13l s n 一11 系 s fi 一 g z n5 1 。65 3 .12 l s n-76 z 仆88 i n41 . 64 4.4l 4 s n-s sb5 8 / 1 2. 2当前主要研究的无铅钎料合金体系 尽管人们对无铅钎料合金 进行了大量的研究，但是到目 前为止还没找到一 种合金可以在各方面性能完全替代s n- pb钎料，尽管己有的无铅钎料尚未完全达 到s n 一 p b 钎料的综合性能， 但这并不能阻碍电子制造无铅转换的进程，新型无铅 钎料的成分设计、可焊性与可靠性研究以 及焊接工艺的开发仍将是材料研究者 热点关注的课题。目 前各国 研究的无铅钎料主要集中在以 下几大类: 旦 旦 迄几 至 主 王 抖 一直以来， 该系钎料并不被看好， 原因 在于s n 一 z n 系 钎料 存在 两大缺陷: 润湿性差和易氧化。然而 s n 一 zn 系钎料拥有其它无铅钎料所没有的 优势即低熔点、 低成本、良 好的力学 性能并且完全无毒， 从经济角度和环保角 度来看，该 合金系是电 子工业中大量使用的 理想选择. 而且，近年来 对s n 一 z n 系钎料润湿性和抗氧化问 题的研究取得了 进展， 这些研究的 结果己 经初步表现 第一章 绪论 s n 一 z n 系无铅 钎料应用的潜力。 对该系合金研究比 较多的是亚洲的一些国家， 如日 本、中国 和韩国等。 特别是日 本在这一方面走在前列，日 本企业界通过改 变成分设计和改进助焊剂已使得部分s n 一zn 系钎料得到应用， 比 如松下电 器公 司开发的系列s n 一 zn 基钎料，索尼公司从2 0 02 年春季开始在铿离子充电电 池 包重采用的s n 一 zn 系钎料，以及日 本v i c 加 r ( jvc ) 从2 0 02年4 月开始在商用 打印 机上采用的s n 一 zn 类无铅钎料112 1 71 . s n 一 z n 系的共晶成分为s n 一gzn( wt%) ， 其熔点为1 98，在二元合金中最 接近1 83， 如图1 . 1 所示; 其结构为典型的层状组织， 体心立方结构的锡基体相 十 六 方 结 构 的 锌固 溶体 第二 相 ( 含 sn s n- b i s n- pb 5 介 in;在给定 应力 和25条件下， 蠕变断裂寿命的 顺序为: sn魂9 一 c u s n 一 ag sn一 c u s n- pb; 在1 00 ， sn一 a g 共晶合金具 有最高的 蠕变 抗力， 按照 蠕变性 能 的 好 坏 由 好 到 差 排 列 如 下 : s n- a g s n-ag 一 c u s n- c u 5 介 p b l3g lo . h 乃 .s o ng等 1391采 用 单 面 搭 接 接头， 利 用 分 步 加 载 的 方 法 对 s n- 3 .5 a g 、 s n 一 3 a g 一 o j c u和 5 介 0. 7 c u钎焊接头的 蠕变变形行为进行了 研究， 试验结果表 明，这三种钎料在 60和 130 之间的显示出相同的蠕变变形行为;其稳态蠕 变速率可以分成两个不同的区间，这两个区间拥有不同的应力指数;低应力指 数为 3 6 ，而高应力指数可达 7 12;值得注意的是，在高应力区，应力指数 有着很强的 温度相关性，当 温度从 95降到 60时， 应力 指 数会显著地升高; 同时，作者还指出 锡基钎料的接头的蠕变行为受 s n基体变形的控制。 wi es e 等 140研 究 了 s n 一 ag、 s n- a g 一 c 诩s n 一 pb 焊 料 在 倒 装 晶 片 焊 接 中 使 用 的 蠕 变 性 能 ， 结 果 表明 :在 低 应力 下 ，s 咖.沪歇 式 n = 11 ) 、 5 伽 ” a 即 c uo 式 n = 1 8) ， 而 5 玛 3 践式 n 粗)， 微 观 分 析 后 认 为 a . s n 和 饥s n ， 的 生 成 并 进 入 基体 s n 相 是 达 到 强 化的 原 因 。 w u 等 141 研究s n- ag中 加入稀 上元素 (c e 、 l a) 后 指出 稀土 元素能 细化晶 粒 ， 并 在晶 粒表面 和 界 面形成能阻 碍其滑动的组织结构， 从而 提高了 蠕变特性. 对sn一 zn 系钎料合金可靠性也有研究， 但报道甚少。 h.m avcor 等142 人在 25 和80、 应力 在10 m pa 22m pa条件下对s n 一 zn 共晶 合金 蠕变性能的研 究 表明 其 蠕变 激 活 能 和 应 力 指 数与s n 一 3 7 p b ( q 二 64 kj从of ， n = 6 .2) 的 极 为 相 近; 文 献 4 31 对添加bi的s n 一 zn合金 进行了 研究， 结 果显 示 在高 应力条 件其抗 蠕 变 性能 与s n 一 a g 合金 相 似， 在 低应 力 下 其 抗 蠕变 能 力 与s n 一 0. s c u 相当 . 稀 土元素的加入能 提高焊点的蠕变寿命，原因在于稀土元素降 低了金属间化合物 第一章 绪论 韵长大 驱动力， 并 使s n 一 g zn 的共晶团 结构均匀、 细小， 从而 使合金的 变形 均匀， 延 迟裂纹的萌生 和发 展l4 。 此外， 添加适量的ni、 in 、 c u 等元素也能改 善sn一 n 系钎料的蠕变性能。 1 .4金 属 蠕 变 基 础 理 论 111. 62 .63l 蠕变是指金属材料在高温和恒定载荷的长时间作用下发生的塑性变形。蠕 变可在任何温度范围内发生，不过高温时形变速度高，蠕变现象更明显。 图1 . 3 为金属发生蠕变时所经历的三个阶段:1 为减速蠕变阶段，应变率随 时间的增加而减小;n为 稳态蠕变阶段， 应变率保持常值;在加速蠕变阶段m， 应变律随时间而增大，最后材料发生断裂。 通常，升高温度或增加应力会使蠕 变加快并缩短达到断裂的时间; 若应力较小或温度较低， 则蠕变的第二阶段( n) 持续较久，甚至不出现第三阶段 ( ll d ;相反，若应力较大或温度较高，则蠕变 的第二阶段 ( n)较短，甚至不出现。 在蠕变过程中，稳态蠕变阶段的蠕变速率最小，其变形机制相对简单，有 着重要的工程意义。稳态蠕变速率常常用来衡量材料的抗蠕变变形的能力。当 归一化温度大于0. 5 时，稳态蠕变速率为温度和应力的函数。 b o rd和d o m经过 长期的研究总结， 于1 9 6 9 年在其专著中系统地论述了稳态蠕变速率的本构关系， 叼1。!。. t 图1 3典型金属蠕变曲线 第一章 绪论 这就是 经典的 m u kh州“一bi rd 一 dom 公式，简称d om公式，其简化形式为: 一 、 言 ，一 p :诺 ( 1 . 1 ) 其中“ 为 稳态 剪切应变率; a 为与 显 微组 织有 关的常 数; t 为 剪 切 应力 ， n 为 应力 指 数 ，q 为 蠕 变 激 活能， r 气 体 常 数: t 绝 对 温 度。 n 和 q 通常 用 来 表征 材 料的 抗蠕变性能。 关于蠕变过程的 形变机制一般认为， 过渡蠕变阶段和加速蠕变阶段的 变形 以 滑移为主， 此时温度的影响是由于温度的升高使扩散加速、发生回复而消除 形变硬化从而促使蠕变速度加大;而稳态蠕变阶段的 变形， 形变速度很小，其 形 变机制除 滑 移外， 还有由 于原 子 扩散 而发生的 流 变。 文 献t 川总 结了 蠕变 变形 的几种机制: 1 位错滑移机制 通常发生在低温高 应力条件下: 2位错攀移机制 在较高应力和中等温度下起主导作用; 3低应力蠕变 在低应力高温度下呈现低应力特征，该蠕变机制包含有扩散 蠕变、 h a 耳 沁 r 一 d o m 蠕变以 及晶界滑移等; 4晶界滑移 在多晶体高温 ( 0. s t m )范性变形中占有重要的地位。 其实在给定的蠕变条件下，不太可能仅有一种机制起作用， 一般有多种机 制同时作用并相互依存。当有多种机制同时作用而且相互独立时，产生最高应 变速率的蠕变机制将成为总蠕变速率的主导因素，而引起最低蠕变速率的蠕变 机制将成为制约机制，它将影响甚至制约整个蠕变变形的进程。随着环境的变 化，蠕变的主控机制也会可能发生变化. 由蠕变变形机制可知，要提高材料的抗蠕变性能，必须要控制晶内和晶界 的扩散过程。 这种扩散过程主要取决于合金的化学成分，但又与冶炼工艺、热 处理工艺等因素密切相关。综合起来影响蠕变的因素有以下几个方面:首先是 固溶合金元素的影响，合金原子加入后要么可降低合金层错能，使位错变宽， 攀移困难;要么溶质原子与溶剂原子的结合增加原子扩散激活能，降低攀移速 率，二者都降低金属的蠕变速率， 提高蠕变强度。其次是第二相微粒的影响， 第一章 绪论 在金属 或合金固 溶体中 加入细小弥散分布的 第二相微粒可有 效地降 低蠕变 速率 和提高蠕变强度， 这种强化效 应比固溶强化更为有效，可保持到 0. 7 t m以 上 才 显著减弱。还有是晶粒度的影响，在低温时晶界强度比晶粒高，晶界和晶粒强 度随温度升高而降低， 但晶 界强度降低比 晶 粒快。 所以 到一定高 温时， 晶 界强度 反而比晶 粒低， 存在一 个等强温度或温度范围。 低于此温度范围 细晶 粒材料蠕变 强度较高，高于此温度范围则粗晶粒材料蠕变强度较高;高温蠕变时，晶界要 产生显著的 滑动，晶界滑动在材料的蠕变变形中总是占 有较大的比 例， 温度愈 高，晶 粒愈小，晶界滑动引 起的 变形比 例也愈大， 所以， 在高 温下， 细晶 材料 的蠕变速率总是比粗晶高。 1 . 5本文研究目 的和主要内容 电 子产品无铅化是社会发展的必然趋势， 尽管目前公推并已得到初步应用 的 替 代焊 料 合金是s n- ag 和s n 一 a g 一 c u 共晶 或 近共晶 合金， 然 而s n 一 z n 系 合金因 其共晶熔点与s n 一 p b 的熔点最为 接近、 价格便宜、 力学性能良 好等优点， 仍具有 相当的发展前景。 由于电子工业的不断发展，钎料服役的环境越来越苛刻，这就对钎料本身 的可靠性提出了更高的要求。新型的无铅钎料在具备良 好的工艺性能同时必须 要有更高的力学性能，特别是抗疲劳蠕变性能。因此研究钎料的蠕变性能显得 尤为重要， 这不仅可以 对焊点寿命进行有效的预测， 而且对正确指导 s m t 组装、 钎焊工艺等也都有重要的意义。 本文选择s n . g z n 钎料合金作为 研究对象，重点考察其蠕变性能。由于实验 条 件的限制， 本课 题组自 行设计制作了 一 种 简易可靠的 激光弯折蠕变测量装置， 探索出一种新的测试方法。主要的研究内容包括: 1) 激光弯折蠕变测量装置的建立及其可行性研究。 2) s n- g zn钎料合金的 蠕变应力指数和激活能的确立，建立反映稳态蠕变速率 与温度和应力之间的本构方程:在不同冷却方式下对比s n- g z n 钎料合金与 第一章 绪论 s n-4o pb及s n 一s a g 一 0. 7cu 的 抗 蠕 变 性 能; 初步 探讨sn . g z n 钎料 合 金 的 蠕 变机理. 3) 根据本课题组前期的研究工作， 考察新型助焊剂条件下5 介 9 2 川 c u 焊点的结 合强度和蠕变性能。 4 ) 原位生长金属间化合物颗粒相复合增强s n 一gzn 基无铅钎料的制备研究， 包括c u 与s n- g zn熔体反应动力学研究;复合钎料的显微组织、 润湿性、 拉伸性能和蠕变性能以及颗粒增强相数量的影响。 第二章 s n- g z n 蠕变性能及其复合增强研究 第二章 激光弯折蠕变测量装置及其可行性 2 . 1 引言 从文献中可以 看到不同的 研究者采用的 钎料蠕变研究手 段不尽相同， 大体 可以归纳为以下几种:第一种是测量搭接焊点的剪切蠕变，以 此衡量焊点的抗 蠕 变 性能 泌 491。 搭接 焊点的 制 作 与本 文图1 . 2 所 示相 似。 在 此类 实验中， 焊 料 合 金 在 焊 接头中 的 厚 度 通常都 很薄( 10 0 林 m左右) ， 这 样在两 侧c u 片 两 端 加载 后， 钎料中的每一点都被认为参与了 蠕变变形。如图1 2 所示， 在某一温度加载后， 通过仪器测量焊点中p ni nil和p oi ntz的相对位移随时间的变化， 蠕变切变的计 算为p oi ntl 和p oi ntz 的相对位移与焊料厚度的比， 因而可直接得到稳态蠕变速 率。该方法的优点是直接考察焊点本身的抗蠕变性能，与焊点在实际工作条件 下的情形接近.但是焊点的形成与钎料合金的可焊性和焊接工艺密切相关，这 使得焊点实际有效承载面积与预先设计焊点面积难以一致，而实验的应力计算 取的 是 预先设 计 焊 点 面 积， 导 致 产生 误 差， 这成为 该 实 验方 法的 一大 缺 点. p o 毗 2 p o 时2 一 p 。 以 1 she ar巴 ds o l d e 云 胜 ， p o 叮 止1 图1 .2搭接焊点切变蠕变示意图 a 未发生蠕变的焊头b蠕变一段时间后的焊头 电子钎料蠕变性能的研究的另一个主要的方法是体材的拉伸蠕变性能的研 究 50 调 。 这 种 方 法与 拉 伸测 试 相 似， 数 据 稳定 性 较 好。 但是 与 前 述 的 方 法一 样， 必须配以 特殊装置 测量蠕变中发生的 位移， 使实验所需设备复 杂化， 实验成本 高。 其它的 蠕变测试 方法还有压缩蠕变59 1 和微观压痕法测 蠕变60。前 者可在同 第二章 s n 一 g z n 蠕变性能及其复合增强研究 一个试样上进行多组实验而不必把试样取下，实现了连续对同一试样进行不同 温度和应力条件下的蠕变测试， 但是 试样与冲杆之间正交难于实现;后者以 恒 定压力使冲压头作用于合金体材上， 测量压痕的深度随时间的变化来衡量合金 的 蠕变 性能 ， g e 朴 ay eh等在此 基础 上发 展了 以 硬度计作测量 工具， 用 在恒定 载荷下所显示硬度值随时间的变化来研究合金的 蠕变性能 161 。 通过总结可以 看到， 对钎料合金的 蠕变性能的 研究， 不同的 研究者的 侧重点 和方法各有特色。也正因为如此，来自 不同研究者的数据缺乏可比 性. 本课题 组根据自 身的实验条件，自 行设计制作了 一种便于在同 等条件下平行测试蠕变 性能的简单可靠的弯折蠕变激光测量装置。可行性论证表明该蠕变测量装置所 得数据能够真实反映蠕变规律. 2. 2激光弯折蠕变测量装置 该装置主要根据光学放大原理制作而成，可用于对钎料试样或钎焊接头在 恒载荷剪切应力作用下所发生的蠕变应变进行测量，并可同时对多个试样进行 测试。 2. 2 . 1激光弯折蠕变测量装置简介 图2. 1 为装置结构示意图，整个装置设备置于恒温环境中。试棒在恒定载荷 的作用下发生弯折蠕变， 使标尺上的光点发生偏移， 通过光点的位移可以精确反 映试棒的弯折变形量。 注意图中试样弯折程度有较大夸张， 实际弯折程度并没有 这么大。设试棒中心离标尺的距离为d ，试棒跨距为d ，光点偏移为 x ，试棒弯 折角为e .当 e 足够小时 ( 切.0 5) 有: x 夕胃tg沙=丁 一- 了万 d 一 哭 ( 2 . 1 ) 第二章 s n 一 g z n 蠕变性能及其复合增强研究 图2 . 1弯折蠕变测试装置示意图 底座 2支撑架3光源 4标尺 5载荷 6试棒 (a ) 加: x) 乏 向 图2， 2简支 梁示意图 ( a ) 受力图(h) 弯距图 第二章s n-g z n 蠕变性能及其复合增强研究 2. 2. 2载荷f的确定 如果图2 ， 1 中加载荷f 的瞬间， 试棒上任意点 所受的力在材料的弹性范围之 内， 不产生塑性变形， 则图2 . 1 中 试棒上任意点的受力可用图2 2所示的刚性简 支梁受力模型 脚 ! 来考虑。如图所示， 梁的中 点受集中力f的作用，梁长为l， 梁的直径为d 。建立a 一 x 坐标如图所示。 在a c段内， 考察m 一 m截面以左的 梁段的平衡，得到这一段内梁的弯距方程为: m， ( x ) =( 0 x l / 2 ) ( 2 ， 1 ) 最 大 弯 距 发 生 在 梁中 点 截 面 上， 其 值 为m 二= fl/4. 对 于 线 弹 性材 料， 若 在弹性范围内 加载， 对于纯弯状态下横截面上任意一点正应力164为: 。 二 丛之 i _ ( 2 . 2 ) 其中1 二 为 整个横 截面 对于中 性轴的 惯性 距， 对于圆 形棒 材， 若 截面直径为 产 ， _砂礴 1， 64 ( 2 . 3 ) 由式 应力。 ( 2. 3 )可知在距离中性轴最远的截面边缘，分别具有最大拉应力与最大压 此时m : = m .= fl14，y . ，带入式 ( 2. 3) 得: 口 = fl / 4 * 护 / 2 砂4 / 64 = ， ， 哪， ( 2 . 4 ) 我们考虑载荷的选择应避免材料任何局部在加载瞬间发生塑性屈服，即 仃 二 ， 几 为 材 料 屈 服强 度 根 据文 献651， 几种钎料 合金室 温下的 屈 服 强 度分别 如下: ，二 pb二 27初 沪 风 荆吞= 5 2 彻 rp 风 = 43 初 ? 久 久气吼 所以 在本文 所用 试样条 件下的 弯折蠕变实 验， 对 s n 一 3 7 p b ，当f 50n时， 对 s n 一 g z n ，当f 10 0 n 时 ， 对 s n 一 3 a g 一 4 c 认 当f 80 n时 ，a 二均 不 会超 过 合金 第二章 s n- g z n 蠕变性能及其复合增强研究 的屈服强度。 这同时意味着 蠕变实验中合金试棒上任一点受力均在其屈服强度 以内，受力可用刚性简支梁模型进行计算。 弯折蠕变性能基本参数的确定 金属的 稳态蠕变性能主要由两个参数来衡量:一为应力指数，二为蠕变激 。我们通过下述方法，基于不同载荷和温度下的稳态蠕变速率数据来确定 匕匕 凡j山月 ，卜寿 这两个参数。 2. 3 . 1应力指数n 的确定 套 用d o m公 式 ， 在 同 一 温 度 下 作 试 样 最 大 应 力 a 。与 稳 态 弯 折 蠕 变 速 率 沙 的双对数坐标 ( 不作特别说明时，本文对数坐标一律取 10 为底的常用对数) ， 得到: 日 1 9 口 n = . . ， 一 引 9 口 二一 ( 2 . 8 ) 在某一温度下，给试样施加一定的载荷直至弯折蠕变速率达到稳态。记录 各个载荷下弯折蠕变速率随时间的变化曲线，对其直线部分的数据进行线性拟 合，所得直线方程的斜率即为稳态弯折蠕变速率;最后将各个应力条件下的稳 态弯折蠕变速率与其对应的应力值画在双对数坐标系中，对其进行线性拟合， 所得直线方程的斜率即该温度下相应载荷的应力指数。 2. 3 .2蠕变 激活能q 的 确 定 在同一 载荷下， 同 样套用d o m公 式， 在同一载荷下求得不同 温度t 的试样 稳 态弯折 蠕变 速率夕 ， 得 到试 样稳 态 弯 折蠕变速率夕 对数 值与 温 度t 的 倒数 关 系 曲线，则蠕变激活能: q 一 ，。 一 r ， 黯1 (2一 9) 在一定载荷条件下，对试样进行不同温度条件下的 蠕变测试，得到稳态弯折 蠕变速率夕 : 然后将各 个温度条件下的 稳态弯折蠕变速率对数值与其对应的绝对 第二章 s n 一 z n 蠕变性能及其复合增强研究 温度值的 倒数画在坐标系中，对其进行线性拟合， 所得的直线方程的 斜率即 ( 一 q/r)， 则q， 一斜率* r*2. 3 ，即可得出 在此应力水平下的激活能。 2. 4弯折蠕变测试方法的可行性研究 用已被较多研究者测定、 蠕变数据较为统一的纯s n 作为弯折蠕变测试装置 可靠性验证的实验对象。试棒系自 行熔炼浇铸，玻璃管作模，浇铸温度2 60， 试棒统一 加工成， s ln!n 、 巧 o mln . 所有制好的试棒放于室温下至少时效24小时。 中心悬挂的载荷范围则为9. 8 24.5n ， 蠕变试验温度为3 03k ，对应的归一化温 度为 ( t 汀 m ) 为0. 6 。 图2. 3 所示为所测得的纯s n 试棒弯折角9 在两 种载荷条件下随时间变化的曲 线。可以 看到它们具有典型的金属蠕变曲线