第一组：SAC的焊接凝固行为和微观组织

关于SAC的焊接凝固行为和微观组织的读书报告

组长： 1200150111龚似明 组员： 1200150103黎惠侦 1200150105谭丽娟 1200150109陈欣 1200150110邓志彬 1200150113黄坚儒

含铅钎料在电子行业中已应用了50余年，含铅钎料（主要是Sn-37Pb和Sn-40Pb）一直处于优势地位，主要由于其成本低廉，在一些操作环境下有较高的可靠性。 然而，铅是一种有毒物质，对人体健康威胁非常大。随着人们环境意识的增强，铅对环境的污染问题也提到了议事日程上来。铅对人体的危害主要是由于金属铅受酸性物质的影响，转化成了离子铅，并渗入到地下水，进入人体后逐渐沉积到骨骼和内脏所致。 锡银铜自身所具备的优良的性能，被公认为最具代表性的有铅焊料的替代品。无铅锡银铜（SAC）SAC三元合金的选择

在SnAgCu三相合金基础上，如果添加In、Bi、Zn等一种或两种元素，可以降低合金系的熔点。虽然四元或五元金属合金可以大幅度降低固相温度，但对降低液相却是无能为力，因为大部分四元或五元金属合金都不是共晶材料，在不同的温度下会形成不同的微观组织，相应对合金元素成分间极其精确的平衡、冶炼工艺、回流焊温度的要求比三元金属系统高；此外，四元或五元金属合金成分易发生变动，因此熔化温度也会变，同三元合金相比，要想在焊膏内的锡粉中实现质量的一致性，其复杂性和困难程度将大的多；另外，合金系统的复杂化使循环再生过程变得范围外，主要考虑SnAgCu三元合金系统。在Sn-Ag-Cu合金中，Ag和Cu几乎不能固溶于β-Sn中，Cu是以棒状组织Cu6Sn5的形式存在于合金中，Ag是以微细或粗大的板状Ag3Sn的形式存在于合金中。在Sn基体上分布着少量的金属间化合物，枝晶组织为β-Sn初晶，粗大的金属间化合物Ag3Sn的二元共晶和Cu6Sn5的二元共晶，针状或短棒状的是Ag3Sn与β-Sn的共晶，球状或盘状的是Cu6Sn5与β-Sn的共晶组织，而且这些金属间化合物的量少。锡银铜的微观组织锡银铜的微观组织Sn-Ag-Cu系焊料合金本身具有细小的共晶组织。在焊料/基体界面上，Sn-Ag合金在铜基体上会形成金属间化合物，且近铜侧为很少量的Cu3Sn相，近焊料侧为Cu6Sn5相，银几乎不进入金属间化合物层。焊料

能在很短的时间内在铜界面形成扇贝状金属间化合物薄层，铜在焊接初期对金属间化合物形核有贡献，所以含铜的焊料金属间化合物厚度稍大一些，对电子元件的可靠性是有利的。铜的加入在金属间化合物形成的前期促进形核，后期阻碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用（但过厚的金属间化合物也可能导致焊料组织脆硬性，造成不利影响）。观察到的几种Sn-Ag-Cu无铅焊料的显微组织如图1所示，主要由富Sn相（黑色区域）及其共晶组织构成，其中二元共晶组织包括Ag3Sn+β-（Sn）相和Cu6Sn5+β-（Sn），三元共晶组织为β-（Sn）+Ag3Sn+Cu6Sn5，共晶组织均匀分布在Sn基体上。添加Ag所形成的Ag3Sn，因为晶粒细小，并且是稳定的化合物，而且Ag几乎不能固溶于Sn，加上高温形成的Ag3Sn即使放置在高温环境中也不容易粗大化，对改善机械性能有很大贡献。锡银铜的微观组织对比1号和7号焊料，可以看出当Ag含量达到3.8％后，白色区域的组织明显变大。这是因为在焊料中银会与锡反应形成板状的Ag3Sn相，在再流焊的熔化过程中快速长大，而且银含量越高，板状的Ag3Sn相越大越多。银含量为3.8%的合金在减小焊后冷却速率时，大板状的Ag3Sn相可穿过整个焊接接头的横截面，严重影响了接头在承受热应力时的力学性能。研究报道低银焊料合金在任何冷却速率下都不会形成大板状的Ag3Sn相，另外银含量的增加使焊料在热循环过程中晶粒粗化，同时还使强度降低，而且对疲劳和冲击韧性也有不良影响。这也说明了低银焊料的可靠性比高银焊料好。

随着Cu含量的增加，晶粒组织明显细化，组织更加均匀。这是因为焊料在凝固时还形成了少量的Cu6Sn5初晶，少量的Cu6Sn5初晶呈棒状分布在Ag3Sn与Sn基体之间，使组织更加细化。但Cu6Sn5不像Ag3Sn那样稳定，在高温下易变成粗大的Cu6Sn5颗粒，因此生成过多的Cu6Sn5，反而会降低钎焊的可靠性。另外，由于Cu的熔点高，如果加入过多的Cu，会使焊料的熔点上升。锡银铜的微观组织焊接机理如图所示的是焊接界面的反应机理示意图。如图所示Cu板中的Cu原子扩散至熔融的钎料中，与钎料中的Sn反应生成Cu6Sn5，随着Cu原子的增加会Cu3Sn化合物出现，这是因为界面金属间化合物中的Sn远远多于基体中的Cu，最初形成的Cu6Sn5将会转化成Cu3Sn。扩散除了在基体中的体扩散之外，也不能忽略沿晶界和界

面的扩散。

如图二分析钎料与Cu之间的反应生成物，由以上分析可知，焊锡的界面反应生成物主要由Cu6Sn5、Cu3Sn组成，而且Cu3Sn出现在Cu板与Cu6Sn5之间。锡银铜的凝固

观察发现在常规凝固条件下,锡银铜合金通常形成粗大的树枝晶,