纳米颗粒对无铅钎料改性的研究进展

随着电子器件趋于微型化、多功能化,微电子封装中的焊点与间距互连要求更小,对焊点的可靠性提出了更高的要求,而在电子封装中钎料对焊点可靠性起着至关重要的作用.近年来,人们越来越注重绿色发展理念,对铅的毒性关注度日益增强,并且各国纷纷立法禁止使用含铅钎料,推动了无铅钎料的快速发展.但是,现有无铅钎料均存在成本高、润湿性差、可靠性低等问题.因此,探索并研发性能优异的无铅钎料任重而道远.目前,许多研究者选择在无铅钎料中添加纳米颗粒以增强复合钎料的综合性能,如金属颗粒、金属化合物颗粒、碳基纳米材料等.研究表明,纳米颗粒的加入可以细化钎料基体组织,抑制金属间化合物(IMC)的生长,提高钎料的力学性能.因此,研发颗粒增强型无铅钎料以改善钎料合金的整体性能成为研究的热点.本文综合分析了不同类型、不同尺寸、不同含量的纳米颗粒对无铅钎料组织性能的影响与作用机理,综述了添加纳米颗粒对钎料的显微组织、润湿性能、力学性能、蠕变性能、电迁移特性和可靠性的影响.此外,概述了亚微米颗粒对三维封装互连焊点的改性作用.最后,总结了纳米颗粒增强无铅钎料的不足之处,并对其未来发展进行展望,以期为日后研发高性能的颗粒增强型无铅钎料提供基础理论指导.     

新型纳米结构颗粒增强无铅复合钎料性能

为了解决传统复合钎料制备中强化颗粒容易粗化的问题,提高无铅复合钎料的性能,选用共晶Sn-3.5Ag、Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料作为基体,3种不同类型具有纳米结构的有机-无机笼型硅氧烷齐聚物(POSS) 颗粒作为增强相而制成复合钎料。研究了复合钎料的铺展性能、钎焊接头的力学性能和抗蠕变性能。结果表明,复合钎料的润湿性能均优于基体钎料的润湿性能,复合钎料钎焊接头的剪切强度和蠕变断裂寿命均明显提高。在相同条件下,Sn-Ag-Cu基复合钎料钎焊接头的性能优于Sn-Ag基复合钎料钎焊接头。      

Ag颗粒含量对SnCu基复合钎料性能的影响

利用颗粒增强原理研制了新型Ag颗粒增强SnCu基复合钎料,研究了Ag颗粒不同含量对复合钎料性能影响.结果表明:当Ag含量(体积分数)为5%时,复合钎料铺展面积最大,润湿角最小,钎焊接头蠕变寿命最长,比基体钎料提高23倍.     

Ag颗粒增强复合钎料钎焊接头蠕变断裂及强化机理研究

测定了不同应力和温度下Ag颗粒增强复合钎料及基体钎料63Sn37Pb钎焊接头蠕变寿命,分析了Ag颗粒增强复合钎料及基体钎料钎焊接头蠕变断裂机理.表明:Ag颗粒增强复合钎料钎焊接头蠕变寿命优于基体钎料;Ag颗粒表面Ag-Sn金属间化合物形成及Ag颗粒对富Pb层阻碍作用是复合钎料钎焊接头蠕变性能提高的主要因素;钎焊接头Cu基板上一薄层富Pb相区形成是蠕变裂纹主要原因.     

纳米结构强化无铅焊点的力学性能

新型的无铅钎料不仅要具备含铅钎料的工艺性能,更重要的是要有更高的力学性能,特别是焊接接头的抗蠕变能力。将纳米级多面齐聚倍半硅氧烷(Polyhedral oligomeric silsesquioxanes,POSS)颗粒作为增强相添加到基体钎料中,能够有效地改善Sn-3. 5Ag基复合钎料的性能。研究了不同种类POSS增强颗粒对Sn-3. 5Ag钎料显微组织和力学性能的影响,确定出POSS增强颗粒复合钎料的最佳配比,并对最佳配比复合钎料在不同温度不同载荷条件下的蠕变寿命进行了研究。结果表明：POSS颗粒质量分数小于2%时,可以抑制基板界面处初晶金属间化合物的生长;复合钎料的抗剪切强度明显提高;低温时,最大蠕变寿命明显改善。     

应力对Ag颗粒增强SnCu基复合钎料蠕变性能的影响

使用搭接面积为1mm2的单搭接钎焊接头,研究了恒定温度下应力对Ag颗粒增强SnCu基复合钎料钎焊接头蠕变寿命的影响,结果表明:Ag颗粒增强SnCu基复合钎料的蠕变抗力优于99.3Sn0.7Cu基体钎料;随着应力的增大,复合钎料及其基体钎料钎焊接头的蠕变寿命均呈下降趋势,且应力对复合钎料钎焊接头蠕变寿命的影响比基体钎料明显.     

温度对Cu颗粒增强复合钎料蠕变性能的影响

蠕变性能是影响钎焊接头可靠性的重要指标之一.采用搭接面积为1 mm2的单搭接钎焊接头,在恒定载荷下,测定了Cu颗粒增强锡铅基复合钎料钎焊接头的蠕变寿命,分析并讨论了温度对该复合钎料蠕变寿命的影响.结果表明:Cu颗粒增强的锡铅基复合钎料的蠕变抗力优于传统63Sn37Pb共晶钎料;钎焊接头蠕变寿命随温度的升高而降低,并且温度对复合钎料钎焊接头蠕变寿命的影响较传统63Sn37Pb钎料明显.     

等温时效对新型Sn-Ag基复合钎料显微组织和力学性能的影响

研究了等温时效对Sn-3.5Ag共晶钎料及其复合钎料的力学性能和显微组织变化的影响。为了弥补传统复合钎料制备和服役中强化颗粒容易粗化的问题, 制备了不同种类最佳配比的具有纳米结构的有机无机笼型硅氧烷齐聚物(POSS)颗粒增强的Sn-Ag基复合钎料。对钎焊接头在不同温度（125、150、175℃）下进行时效,通过SEM和EDAX分析了钎料与基板间金属间化合物层(IMC)的生长情况。结果表明, 经过不同温度时效,复合钎料钎焊接头界面处金属间化合物的生长速率比Sn3.5Ag共晶钎料慢, 复合钎料的IMC生长的激活能分别为80、97和77kJ/mol,均高于Sn3.5Ag共晶钎料。经过150℃时效1000h后,复合钎料钎焊接头的剪切强度分别下降了22%、13%和18%,下降幅度相当或明显小于Sn-3.5Ag钎料钎焊接头。      

电子封装用Sn‒Ag‒Cu低银无铅钎料研究进展及发展趋势

目的 为了适应高银钎料向低银钎料转变的发展趋势,综述近年来对低银SnAgCu钎料的最新研究,展示其在电子封装材料领域中宽广的应用前景。方法 通过分析国内外有关低银钎料的研究成果,详细介绍合金化和颗粒强化等方法对低银钎料熔化特性、润湿性、显微结构、界面组织、力学性能的影响,重点总结元素掺杂的最佳添加量以及改性机理。结论 通过添加金属元素、稀土元素、纳米颗粒,采用新型搅拌技术能有效提升钎料性能,部分改性后的低银复合钎料性能达到了高银钎料性能水平。     

再流条件对Ni颗粒增强复合钎料组织形态的影响

主要针对不同的再流次数带来的不同热输入对Ni颗粒增强复合钎料IMC形态的影响进行了深入研究。由前一阶段研究表明，决定Ni颗粒增强复合无铅钎料组织变化的关键因素是钎料的钎焊温度与钎料熔点的温度差△T以及在熔点以上保温时间t。其本质即外界对钎料的热输入量的大小。随着热输入的增加，Ni颗粒周围的IMC以及钎料/基板界面处的IMC都相应变化发展。由于Ni颗粒的加入。基板＼钎料界面层的结构形态均与Sn-Ag共晶钎料有较大不同，Ni与cu6Sn5的相互作用起到了关键影响。界面层厚度的变化随再流次数增加呈现线性增长。     

Joining of SiC fibre reinforced borosilicate glass matrix composites to molybdenum by metal and silicate brazing

The brazing of SiC fibre reinforced borosilicate glass matrix composites with Mo plates has been investigated. Molybdenum was chosen as the metallic partner under consideration of system requirements, e.g. thermomechanical stability at temperatures of interest (500–750^∘C), and physical properties, e.g. coefficient of thermal expansion close to that of the glass matrix composite. Two brazing filler materials were investigated: a glass braze (Schott G018-174) and an active filler metal (Incusil ABA, brazing temperature = 740^∘C). When using the glass braze the surface of the metal had to be roughened to ensure a bond of significant strength. Vacuum brazing with the active filler metal resulted in joints with high strength, which allows to fully utilise the mechanical competence of the glass matrix composite when the joint configuration is adapted to the relevant loading conditions. A novel design of a tool for hot glassware handling, made of glass matrix composite/Mo joints, is presented.     

采用银基活性钎料钎焊碳/碳复合材料

采用银基活性钎料（Ag-Cu-Ti）对二维层间增强型和三维正交增强型C/C复合材料进行了真空钎焊工艺试验，采用扫描电镜（SEM）观察了钎焊接头和连接界面的微观组织形貌，测定了各元素的面分布，对钎焊接头进行了室温压缩剪切性能试验和三点弯曲强度试验。结果表明：钎料中的元素Ti向钎料和C/C界面区扩散并富集，生成了含元素C的Ti2Cu化合物相，形成了钎料对C/C基体的良好润湿，可获得组织致密的接头，接头室温三点弯曲强度为：39MPa，抗剪强度为22MPa。     

铝/镁搅拌摩擦焊-钎焊焊接接头微观组织结构

目的研究不同工艺参数下钎料Zn的添加对Al/Mg异种金属搅拌摩擦焊-钎焊焊接接头组织和性能的影响。方法以厚度为0.05 mm的纯Zn作为钎料,对3 mm厚的2A12-T4态铝合金和4 mm厚的AZ31变形镁合金,进行搅拌摩擦焊-钎焊的复合焊接,分析锌夹层的添加对接头微观组织与力学性能的影响。结果当添加Zn中间层时,接头钎焊区缓解了拉伸断裂趋势,在焊接速度为23.5 mm/min,旋转速度为375 r/min时,接头抗拉剪力达到5.5 k N,复合焊接接头的钎焊焊缝由搭接区、固相扩散区、钎焊区组成。结论钎料的添加有效阻止了Al-Mg系金属间化合物的形成。     

轧制工艺对银钎料流铺性的影响

采用扫描电镜、XRD等分析手段对有油和无油轧制后的银基钎料进行研究.结果表明,有油轧制的钎料会在其表面残留一层含碳层,含碳层的厚度约为3~7μm;所选银钎料的主要的相组成为Cu Zn、Ag Cd、(Ag,Cu)5Zn8、Ag Cd19等,碳在钎料表面主要以游离的碳分子和Zn C8、C2Cd O4形式存在;钎料表面的含碳层在钎料熔化后将以三种不同的形式存在,部分碳分子来不及上浮到表面而被包裹在钎料内部;部分碳分子随着钎料的熔化铺展,被液态钎料推到了铺展的最前沿,在液态钎料周围形成一个包围圈;还有一部分形成含碳的复杂化合物,其存在都将明显降低钎料对钢基体的润湿性,影响后续的焊接强度等.     

BCu50ZnMnNiSi多元铜基钎料的研究

提出了一种含Ｎｉ、Ｓｉ的适合钎焊合金白口铸铁的Ｃｕ基ＣｕＺｎＭｎ多元钎料,并对ＢＣｕ５０ＺｎＭｎＮｉＳｉ钎料的熔化特性、钎焊工艺性能、钎料组织以及力学性能进行了研究。研究结果表明,与普通ＣｕＺｎ合金钎料比较,ＢＣｕ５０ＺｎＭｎＮｉＳｉ钎料钎焊冶金特性优异,界面冶金结合致密,尽管钎料中含有多元合金元素,钎焊后钎缝仍有较好的塑必     

Preliminary investigation on joining performance of SiCp-reinforced aluminium metal matrix composite (Al/SiCp–MMC) by vacuum brazing

The present study has investigated the joining performance of SiC particulate reinforced aluminium metal matrix composite (Al/SiC_p–MMC) by vacuum brazing process. After the joints brazed with Al–Si–Mg foil brazing filler metal at different brazing batches, both the mechanical properties and the microstructures of brazed joints were estimated. Moreover, the influence of SiC_p size, SiC_p volume percentage and the brazing parameters on bonding quality of the joints have also been discussed in detail. The results have revealed that the bonding quality either in SiC_p/Al interface or in SiC_p/SiC_p interface belongs to weak bonding, and the results also show that under the same brazing parameters condition, the strength of brazed joints decreases along with increasing the SiC_p volume percentage. In addition, the results also indicate that for a constant SiC_p volume percentage the strength of brazed joints decreases when SiC_p size increases. These results are very useful for the joining design of discontinuously reinforced metal matrix composites and further for the optimum design of composition of composites.     

SiCp/Al复合材料焊接综述

为实现SiCp/Al复合材料的高质量可靠焊接,推广SiCp/Al复合材料在各领域的应用,调研了国内外SiCp/Al复合材料不同焊接方法的研究现状。在熔化焊方面,国内外学者通过调整工艺参数、在焊缝中加入Ti元素发生诱发反应等方法,抑制了焊缝中Al4C3针状脆性相的形成,从而提高了焊接接头的力学性能。在搅拌摩擦焊方面,国内外学者针对不同材料设计了专用的焊接搅拌头,以保证它们具备高耐磨性与足够的冲击韧性,在焊接过程中不出现破损情况;关注了焊接过程中焊接头转速、焊接速度、轴向力与热输入等因素,以获得力学性能优秀、晶粒细小均匀的焊接接头。在扩散焊方面,国内外学者探究了中间夹层对焊缝界面间原子相互扩散的促进作用;采取不同工艺参数,以外加超声或电子束表面加热等方式促进了原子间的相互扩散,以获得力学性能优异的焊接接头,提高焊接效率。在钎焊方面,国内外学者通过探究钎料与SiCp/Al复合材料之间的润湿性来组合钎料与钎剂,通过化学腐蚀处理表面暴露颗粒增强相、在复合材料表面电镀金属等方法来增大钎料与增强相的润湿性、解决钎料铺展受阻的问题,以进一步提高钎焊焊接接头质量。     

304不锈钢消音蜂窝钎焊工艺、组织及力学性能分析

采用镍基BNi2钎料钎焊制备了304不锈钢消音蜂窝,对蜂窝芯体与面板钎焊界面组织和蜂窝的力学性能进行了分析和测试,并研究了钎焊热循环次数对钎焊界面组织和蜂窝拉伸力学性能的影响,为实际工程应用确定未焊合缺陷补焊次数提供了依据。液态钎料的毛细作用使钎料沿蜂窝芯箔材表面铺展并与箔材发生显著的元素扩散反应,蜂窝芯与面板之间的钎缝由Ni、Cr、Si等互溶而成的Ni基固溶体组织组成,未生成脆性共晶组织或金属间化合物。钎料中的B和Si元素显著扩散于面板材料中,形成钎料-面板反应区,因B元素的沿晶界快速扩散效应,面板侧组织呈现晶界元素渗入特征。随着钎焊次数增加,钎料对母材的溶解和晶界渗透增加,钎焊界面组织发生显著变化。制备的304不锈钢消音蜂窝拉脱强度为7.21MPa,呈现板/芯界面附近蜂窝芯破坏特点,多次钎焊时蜂窝拉脱强度呈下降趋势。制备的304不锈钢消音蜂窝平压、侧压和弯曲力学性能测试过程均经历弹性变形、塑性变形和失稳三个阶段,强度值分别为5.67MPa、33.85MPa和105.87MPa,平压和弯曲失效模型为蜂窝失稳,侧压破坏除蜂窝失稳外,发生穿孔面板与蜂窝芯体剥离的现象。鉴于多次钎焊热循环对蜂窝拉脱强度的不利影响,建议304不锈钢蜂窝钎焊缺陷的最大补焊次数为一次。     

Effects of Al2O3 Particulates on the Thickness of Reaction Layer of Al2O3 Joints Brazed with Al2O3-Particulate-Contained Composite Filler Materials

In order to understand the rate-controlling process for the interracial layer growth of brazing joints brazed with active composite filler materials, the thickness of brazing joints brazed with conventional active filler metal and active composite filler materials with different volume fraction of AI203 particulate was studied. The experimental results indicate although there are Al2O3 particulates added into active filler metals, the time dependence of interracial layer growth is t^2 as described by Fickian law for the joints brazed with conventional active filler metal. It also shows that the key factor affecting the interracial layer growth is the volume fraction of alumina in the composite filler material compared with the titanium weight fraction in the filler material.     

铝基钎料在SiC及SiC_p/6061复合材料上的润湿性研究

对多种铝基钎料在SiC、6 0 6 1及SiCp 6 0 6 1复合材料上进行了润湿性试验。结果表明 :炉中钎焊时 ,钎料与钎剂的成分、加热温度与保温时间、钎料与钎剂熔化温度的匹配等是影响铝基钎料润湿性的主要因素 ;真空钎焊时 ,镁含量不同的各种含镁Al 2 8Cu 5Si钎料在Al基复合材料连接的温度范围内都不能润湿SiC陶瓷表面 ;配合QJ2 0 1钎剂 ,Al 2 8Cu 5Si 2Mg钎料对 15 %SiCp 6 0 6 1Al复合材料具有良好的润湿性 ,但对 30 %SiCp 6 0 6 1Al复合材料却润湿不良 ;在加钎剂的情况下 ,钎料中的镁反而对在铝合金及铝基复合材料上的润湿性有不利影响 ;在Al 2 8Cu 5Si 2Mg钎料和 15 %SiCp 6 0 6 1Al复合材料的钎焊界面处存在SiC颗粒的偏聚现象