纳米Ni增强Sn-Cu-Ag亚共晶钎料的搅拌钎焊研究

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共晶和近共晶Sn-Ag-Cu系合金被公认为是最有可能替代Sn-Pb合金的钎料。此类钎料的力学性能和润湿性较好,但焊点易于脆化、抗冲击性能差;特别是高银含量使其价格相对较高,增加了封装成本。而低银Sn-Ag-Cu亚共晶钎料(wAg=0.1%~1.0%)因能降低钎料成本80%以上,且抗冲击性能好,接头脆化倾向小,正越来越受到电子装联产业的关注。但总体来说,Sn-Ag-Cu亚共晶钎料仍然存在着力学性能较差、钎焊过程中氧化严重(钎焊温度260℃以上)以及润湿不良等问题。针对Sn-Ag-Cu亚共晶无铅钎料润湿不佳、钎焊氧化严重(钎焊温度高)、接头力学性能较差等问题。本文以Sn-0.68Cu-0.45Ag钎料为研究对象,通过添加纳米Ni颗粒改善钎料的润湿性,采用低温钎焊工艺(在固液两相区进行钎焊)减少钎料氧化的同时,辅以机械搅拌来改善钎焊接头的组织和力学性能。结果表明:(1)纳米Ni或者Ni3Sn4与β-Sn都没有明显的错配关系;不能作为非自发形核的形核核心;它们只能与β-Sn形成非共格界面,使钎料熔化开始温度降低。(2)在低银钎料中加入纳米Ni颗粒,能提高钎料的润湿性和填缝能力,使得复合钎料焊缝缺陷明显少于低银钎料焊缝。机械搅拌在破碎基板表面氧化膜的同时,也能打碎基体树枝晶组织和加速元素扩散,并促进纳米Ni与Cu6Sn5的反应,所放出的热量和疏松孔洞状(CuxNi1-x)6Sn5能促进界面IMC的生长。(3)低银钎料搅拌辅助接头界面IMC形貌呈小波浪形,主要成分为Cu6Sn5。由于搅拌的巨大紊流,造成接头界面IMC形貌呈锯齿状。加入纳米Ni颗粒后,纳米Ni和Cu6Sn5的反应发出的热量与搅拌所形成的逆方向热流相互消融,使复合钎料搅拌辅助和钎剂+搅拌辅助接头的锯齿状IMC趋于平直;界面IMC由Cu6Sn5、Cu3Sn和孔洞状(CuxNi1-x)6Sn5组成。(4)复合钎料钎焊接头界面IMC厚度都明显高于低银钎料钎焊接头。在相同的辅助焊接工艺下,复合钎料焊接接头的的抗拉强度和剪切强度均高于低银钎料钎焊接头。在钎剂辅助基础上施加搅拌,其复合钎料接头抗拉强度和剪切强度分别提高了32%和24%,相当甚至优于复合钎料本身的的抗拉强度和剪切强度。(5)采用机械搅拌辅助工艺,能够实现复合钎料和铝基复合材料的低温连接。
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