Sn-Ag-Cu无铅焊料融合及流变性能研究

论文摘要

Sn-Ag-Cu合金作为最具潜力的传统Sn-Pb焊料替代品,具有优良的机械性能和可焊性。然而,Sn-Ag-Cu系无铅焊料制备过程中形成的氧化层直接影响焊接性能与焊接质量,并造成锡的损失。作为焊接性能最重要的指标,焊膏的融合及流变性能与焊锡球、桥联、针孔堵塞等缺陷的产生密切相关,直接决定焊接质量。本论文以提高焊料的融合及流变性能为研究目标,以四种不同型号的Sn-3.5Ag-0.5Cu无铅焊料为研究对象,系统研究焊料粉末的颗粒尺寸分布、焊料表面氧化层厚度对焊膏融合及流变性能的影响。为研究不同氧化层厚度对焊料性能的影响,开发出一种新的焊料表面氧化层减薄工艺。采用化学腐蚀法,通过控制有机酸腐蚀后焊料烘干的氧分压和温度控制焊料表面氧化层厚度。为研究焊料表面氧化层厚度对焊膏融合性能的影响,采用表面氧化层减薄处理改变焊料表面氧化层厚度,在不改变焊料形貌及表面氧化层组成的前提下,使焊料表面氧化层厚度从5.6nm降低到2.7nm,减少了近50%。焊料表面氧化层厚度的减小能够降低焊接过程中焊料粉末的结合阻力,助焊剂更容易将氧化物清除,有助于焊料合金的融合。标准回流焊测试和焊膏-焊球测试结果表明,氧化层减薄能够显著提高焊膏的融合性能,避免焊锡球的产生。对于颗粒尺寸分布而言,筛除小尺寸焊料粉末并不能明显改善焊料在化学镀镍浸金表面处理基板上的融合性能。系统研究了焊料尺寸分布对焊膏流变行为的影响。当小尺寸焊料重量比固定时,随着不同型号焊料平均尺寸比值的增加,焊膏粘度降低。当小尺寸焊料添加达到一定量时,在剪切变稀开始前出现剪切增稠现象。在低剪切速率下的剪切增稠现象是由于原先团聚的焊料粉末在热力学驱动下向周围间隙空格中扩散,焊料颗粒趋于三维的均匀分布引起的。随着剪切速率的增加,焊料粉末在流体力学的作用下由三维分布逐渐趋于二维分布,出现剪切变稀现象。经表面氧化层处理后,焊料表面粗糙度的降低引起低剪切速率下焊膏粘度的明显升高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无铅焊料的研究现状
• 1.2.1 无铅焊料的性能
• 1.2.2 无铅焊料合金体系
• 1.3 Sn-Ag-Cu 无铅焊料
• 1.3.1 Sn-Ag-Cu 无铅焊料特性
• 1.3.2 Sn-Ag-Cu 无铅焊料的发展趋势
• 1.4 本论文的研究目的及主要内容
• 第二章 实验过程及研究方法
• 2.1 研究的工艺路线
• 2.2 Sn-Ag-Cu 无铅焊料的特性表征
• 2.2.1 焊料形貌
• 2.2.2 颗粒尺寸分布
• 2.2.3 表面氧化层成分
• 2.2.4 表面氧化层厚度分析
• 2.3 表面氧化层处理工艺
• 2.4 焊膏融合性能实验
• 2.5 焊膏流变性能实验
• 第三章 焊料特性表征及氧化层减薄工艺
• 3.1 Sn-Ag-Cu 无铅焊料形貌与颗粒尺寸分布表征
• 3.2 Sn-Ag-Cu 无铅焊料表面氧化层组成分析
• 3.3 Sn-Ag-Cu 无铅焊料表面氧化层厚度分析
• 3.3.1 俄歇电子能谱测试氧化层厚度
• 3.3.2 化学腐蚀方法计算氧化层厚度
• 3.3.3 焊料表面氧化层厚度控制方法探索
• 3.4 本章小结
• 第四章 颗粒尺寸分布与表面氧化层处理对融合性能的影响
• 4.1 焊膏融合性能影响因素分析
• 4.2 颗粒尺寸分布和表面氧化层厚度对焊膏融合性能的影响
• 4.2.1 标准回流曲线下的融合性能研究
• 4.2.2 焊膏-焊球测试标准下的焊锡球测试
• 4.3 本章小结
• 第五章 颗粒尺寸分布与表面氧化层处理对流变性能的影响
• 5.1 颗粒尺寸分布对焊膏流变性能的影响
• 5.1.1 不同型号焊料平均尺寸比对焊膏流变性能的影响
• 5.1.2 小尺寸焊料重量比对焊膏流变性能的影响
• 5.1.3 颗粒尺寸分布对流变性能影响机理分析
• 5.2 表面氧化层处理对焊膏流变性能的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文