稀土Ce加速Sn晶须生长的研究

稀土被认为是金属中的"维他命",在钎料中添加微量的稀土Ce可以显著地改善钎料合金的综合性能.然而,当钎料中添加过量的稀土时,将会发现Sn晶须的快速生长现象.结果表明,如果将Sn3.8Ag0.7Cu1.0Ce钎料内部的稀土相暴露于空气中,稀土相将发生氧化而产生体积膨胀,钎料基体对体积膨胀的抑制作用将使稀土相内部产生巨大的压应力从而加速Sn晶须的生长.     

稀土Y加速Sn晶须生长规律

氧原子向稀土相YSn3晶格内部的扩散使YSn3产生体积膨胀,而周围钎料基体对体积膨胀的抑制作用使其内部产生巨大的压应力,此压应力为Sn晶须的生长提供了驱动力;与此同时,稀土相YSn3氧化过程中释放出的自由Sn原子为Sn晶须的生长提供了生长源.对空气中室温与150℃时效条件下稀土相YSn3表面Sn晶须的生长进行了研究.结果表明,室温时效条件下,稀土相YSn3表面Sn晶须的生长速度缓慢且分布不均;高温时效条件下,稀土相YSn3表面Sn晶须的生长速度较快且巨大的压应力使钎料基体发生了隆起现象.     

Sn-3.8Ag-0.7Cu-1.0Er无铅钎料中Sn晶须变截面生长现象

在Sn-3.8Ag-0.7Cu无铅钎料中添加质量分数为1%的稀土Er会在其内部形成尺寸较大的稀土相ErSna.暴露于空气中ErSn3将发生氧化,同时在其表面会出现Sn晶须的快速生长现象.室温时效条件下,在氧化的ErSn3表面会生长出少量的杆状Sn晶须,Sn晶须的截面尺寸会发生连续变化;高温时效条件下,在氧化的ErSn3表面会生长出大量的针状Sn晶须,Sn晶须的截面尺寸会发生阶梯式变化.提出了ErSn3氧化过程中体积应变能是一个变量的模型,可以解释观察到的现象.     

稀土相表面特殊形态锡晶须生长现象

在Sn3.8Ag0.7Cu钎料中添加过量的稀土Ce和Er元素会在其内部形成尺寸较大的稀土相CeSn3和ErSn3.将钎料合金Sn3.8Ag0.7Cu1.0Ce/Er的铺展试样沿中心剖开,利用金相水砂纸及专用抛光液抛光后,将制备好的试样在空气中分别进行室温与150℃时效处理.分析了时效处理过程中稀土相CeSn3及ErSn3表面锡晶须的生长行为.结果表明,在稀土相的表面出现了大量规则的针状及线状锡晶须,它们在生长过程中始终保持了恒定的截面.试验中还发现了一些特殊形态的锡晶须,如锡晶须的分枝、合并以及锡晶须的搭接现象.     

CROSS SECTION CHANGING GROWTH PHENOMENON OF Sn WHISKER IN Sn–3.8Ag–0.7Cu–1.0Er LEAD–FREE SOLDER

在Sn--3.8Ag--0.7Cu无铅钎料中添加质量分数为1%的稀土Er会在其内部形成尺寸较大的稀土相ErSn₃. 暴露于空气中ErSn₃将发生氧化, 同时在其表面会出现Sn晶须的快速生长现象. 室温时效条件下, 在氧化的ErSn₃表面会生长出少量的杆状Sn晶须, Sn晶须的截面尺寸会发生连续变化; 高温时效条件下, 在氧化的ErSn₃表面会生长出大量的针状Sn晶须, Sn晶须的截面尺寸会发生阶梯式变化. 提出了ErSn₃氧化过程中体积应变能是一个变量的模型, 可以解释观察到的现象.     

Sn晶须的形态机制

将稀土相CeSn3与ErSn3暴露于空气中,研究在时效处理过程中稀土相表面Sn晶须的形态机制.结果表明:时效过程中在稀土相表面出现的绝大多数Sn晶须均是具有恒定截面的规则Sn晶须;同时也发现少数特殊形态的不规则Sn晶须,如卷曲状的Sn晶须、变截面的Sn晶须、分枝及搭接的Sn晶须等;由于稀土相的氧化所产生的体积膨胀提供Sn晶须生长的驱动力,而稀土相的氧化极不均匀,因此,认为Sn晶须在生长过程中其根部受力状态的改变是导致特殊形态Sn晶须出现的根本原因.     

稀土相RE-Sn表面Sn晶须的生长规律

将稀土相CeSn3、LaSn3、(La0.4Ce0.6)Sn3及ErSn3暴露于空气中,研究在时效处理过程中其表面Sn晶须的生长规律。结果表明:室温时效过程中,在稀土相的表面均出现了Sn晶须的生长现象,且稀土相LaSn3的表面倾向于形成包状和扭结状的Sn晶须,稀土相CeSn3和(La0.4Ce0.6)Sn3的表面倾向于形成针状和扭结状的Sn晶须,而稀土相ErSn3的表面倾向于形成大尺寸的杆状和棒状Sn晶须。150℃时效过程中,稀土相CeSn3、LaSn3和(La0.4Ce0.6)Sn3的表面没有出现Sn晶须的生长现象,而稀土相ErSn3的表面出现了大量的小尺寸线状Sn晶须。综上所述,稀土相的氧化倾向决定了其表面Sn晶须的生长规律。     

SnAgCuCe/Er无铅钎料表面锡晶须的形态及特性

在Sn-3.8Ag-0.7Cu无铅钎料中添加1%(质量分数)的稀土铈或铒会在其内部形成尺寸较大的稀土相CeSn3和ErSn3.暴露于空气中的CeSn<,3和ErSn3将发生氧化,同时在其表面会出现锡晶须的快速生长现象.文中研究了稀土相CeSn3与ErSn3表面锡晶须的生长行为.结果表明,在CeSn3与ErSn3表面形成了大量的传统圆柱状锡晶须,同时,在其表面还出现了一些特殊形态的锡晶须,如带纹状的锡晶须、扭曲状的锡晶须、变截面的锡晶须、锡晶须的分枝、合并及搭接现象等.     

稀土相ErSn3表面Sn晶须的快速生长

将稀土相ErSn3分别暴露于空气与真空环境中,研究在时效处理过程中ErSn3表面Sn晶须的生长情况。结果表明：大气环境中,在稀土相ErSn3的表面出现了Sn晶须的生长现象,且室温条件下Sn晶须的分布不均,生长速度慢,而高温条件下Sn晶须的分布均匀,生长速度快;真空环境中,在稀土相ErSn3的表面未出现Sn晶须的生长现象。由于在大气环境中稀土相ErSn3发生了氧化,氧原子向ErSn3晶格内部的扩散引起的体积膨胀提供了Sn晶须生长的驱动力,因此,大气环境中在ErSn3的表面会出现Sn晶须的生长现象,而真空环境中则不会出现     

Sn晶须生长的双应力区模型

利用FIB(Focused Ion Beam)将发生氧化的稀土相ErSn3剖开,研究其表面Sn晶须的生长机制。结果表明:时效过程中稀土相ErSn3发生了不均匀氧化,在其内部形成了大量的"快速氧化通道"及"氧化区"。由于在Sn晶须的根部及附近同时存在两个"氧化区",且它们通过"快速氧化通道"相连。因此,提出了Sn晶须生长的"双压应力区"模型,即Sn晶须的生长需要形成两个压应力区,其根部的"低压应力区"将为Sn晶须的形成提供驱动力,而"高压应力区"将为Sn晶须的生长提供Sn原子。