石墨烯和Bi的添加对Sn-0.7Cu无铅焊料组织及性能的影响研究

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近年来,传统的Sn-Pb焊料已无法满足电子封装材料微小化、绿色化及高集成化的需要。因此,开发一种能替代Sn-Pb焊料的无铅焊料就成为目前电子封装领域的一大热点。Sn-Cu焊料以成本低、强度高、无毒害及易生产回收等优点,被认为是最有可能替代Sn-Pb焊料的无铅焊料之一。然而Sn-Cu系无铅焊料仍存在硬度低、力学性能差及抗腐蚀性差等缺点。为了弥补Sn-Cu系焊料的不足,采用颗粒强化及合金化的方法对其进行改性,以期提高和改善Sn-Cu焊料的组织与性能。本文通过热压烧结及电弧熔炼的方法成功制备Sn-0.7Cu-x GNSs及Sn-0.7Cu-x Bi复合焊料。同时,利用SEM及XRD探究该复合焊料合金的微观组织;采用密度计、导电仪和差示扫描量热法进行物理性能测试;借助显微硬度计和拉伸试验机对其力学性能进行测试;通过铺展率实验测试其润湿性;采用动电位极化法和XPS进行电化学腐蚀测试。实验结果表明:(1)在微观组织方面,微量的GNSs添加后分布于Sn-0.7Cu基体晶界处,细化晶粒。而过量的GNSs会在晶界处团聚,晶粒粗化;少量Bi的添加细化Sn-0.7Cu基体组织,提高了性能。而过量的Bi会在晶界处开始聚集,产生偏析粗化,降低性能。(2)在物理性能方面,GNSs的加入对Sn-0.7Cu复合焊料的熔点和密度的影响较小。而电导率随着GNSs含量的增加先变大后变小;随着Bi含量增加,复合焊料密度增加,电导率和熔点却有所下降。(3)在力学性能方面,GNSs显著提高了Sn-0.7Cu焊料的硬度。而拉伸性能随着GNSs的增加先增大后减小,但仍高于纯Sn-0.7Cu焊料;同时,Sn-0.7Cu-x Bi复合焊料的硬度、压缩性能均随着Bi的增加先增大后减小。(4)在润湿性方面,GNSs含量的增加会引起Sn-0.7Cu-x GNSs焊料的铺展率及铺展面积下降,润湿角增加,润湿性变差;而添加Bi后,Sn-0.7Cu-x Bi焊料的铺展率及铺展面积随着Bi含量的增加而变大,润湿角下降,润湿性能提高。(5)在抗腐蚀性能方面,GNSs含量的增加引起腐蚀电位(Ecorr)先上升后下降,而腐蚀电流密度(Icorr)和腐蚀速率相反;Bi含量的增加导致复合焊料的Ecorr先降低后升高,Icorr和腐蚀速率的变化则相反。同时,少量的GNSs和Bi的添加产生的腐蚀产物均紧密排布,几乎无孔洞生成,从而提高了抗腐蚀性能。
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