納米壓痕法測試SAC0307-xCe循環(huán)加載-卸載下的力學(xué)行為研究

1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文納米壓痕法測試SAC0307-xCe循環(huán)加載-卸載下的力學(xué)行為研究摘 要目前，電子行業(yè)的主要方向是使電子產(chǎn)品向著小型化、高集化發(fā)展。這樣的發(fā)展方向必然會帶來越來越多的問題和挑戰(zhàn)，小型化電子產(chǎn)品在運(yùn)輸和使用過程中容易因?yàn)殡S機(jī)振動或者是跌落沖擊而造成產(chǎn)品損壞，這使人們對電子產(chǎn)品的可靠性要求大大提高，因此對BGA焊點(diǎn)的力學(xué)行為研究具有重要的意義。在眾多的無鉛釬料系列中，低銀Sn-Ag-Cu系列釬料因其具有良好的延展性，潤濕性，光亮度以及機(jī)械性能，使得低銀Sn-Ag-Cu系列釬料合金成為替代Sn-Pb共晶釬料的主要材料。加入微量的稀土元素，可以改善低銀釬料的彈性模量，蠕變性能

2、，硬度等力學(xué)性能。雖然前人有過對Sn-Ag-Cu釬料添加稀土元素的研究，但是在循環(huán)加載條件下對其添加稀土元素Ce的研究相對較少。本文以Sn-0.3Ag-0.7Cu-xCe（其中x分別為0, 0.03%，0.05%, 0.07%, 0.10%）無鉛釬料為試驗(yàn)對象，研究循環(huán)加載條件下不同Ce含量及保載時間對BGA焊點(diǎn)納米力學(xué)行為的影響。研究結(jié)果顯示：加入稀土元素Ce以后，低銀Sn-0.3Ag-0.7Cu釬料的強(qiáng)度硬度等力學(xué)性能獲得改善。在Ce含量為0.07%時，釬料焊點(diǎn)的力學(xué)性能最優(yōu)，而隨著Ce含量的增加或者是降低都將會導(dǎo)致釬料強(qiáng)度和硬度的下降，彈性模量下降，脆性增加，從而導(dǎo)致綜合力學(xué)性能下降；B

3、GA 焊點(diǎn)在保載階段發(fā)生蠕變，且隨著保載時間的增加，蠕變位移不斷增大，而增加幅度變小。關(guān)鍵詞：BGA焊點(diǎn)；循環(huán)加載-卸載；力學(xué)行為Nano indentation method test SAC0307 - xCe under cyclic loading, unloading force for researchAbstractAt present, the main point of the electronics industry is the miniaturization electronics and the high integration development. But, i

4、t can be bring more and more problems and challenges. In the process of delivery and using, the miniaturization electronics would be destroyed easily because of the random vibration and drop impact. It makes people to increase the security of electronics. So, it is more significant for the study of

5、BGA Solder Joints.In the different series of Lead-free solder, the low Ag series of Sn-Ag-cu has became the main material to instead of Sn-Pb Eutectic solder because of its good ductility, wettability, luminance and mechanical properties. If add less rare-earth element into it, it will improve elast

6、icity modulus, creep properties, dynamics of low Ag solder and so on.Even though some predecessors have been studied the test of Sn-Ag-Cu add rare-earth element, there are less experiments that add the rare-earth element of Ce under cydic loading. The exam object of the paper is Lead-free solder tha

7、t Sn-0.3Ag-0.7Cu-xCe (where the x is 0, 0.03%, 0.05%, 0.07%, 0.10% respectively). The purpose of the test is that study the different influences of BGA welding spot Nano mechanical behavior in the different Ce content and hold time.The research results show that the intensity and hardness of low Ag

8、Sn-0.3Ag0.7Cu and other mechanical property can be improved after add the rare-earth element Ce. When the Ce content was 0.07%, the mechanical properties of the solder joint is the best. With the Ce content increasing or decreasing, they will lead to decline in strength and hardness of solder, elast

9、ic modulus decreased, increased fragility, then resulting in decreased mechanical properties. And BGA welding spot happen creepage in the hold time, with the hold time increase, creepage displacement increasing, and increasing range will become small.Keywords BGA Solder Joint, Cyclic loading-unloadi

10、ng, Mechanical behavior- III -目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 BGA 的研究現(xiàn)狀11.2.2 無鉛釬料的發(fā)展現(xiàn)狀31.2.3 納米壓痕技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3 稀土元素對SAC系無鉛釬料組織及性能的影響61.4 研究目的及意義71.5 實(shí)驗(yàn)步驟8第2章 實(shí)驗(yàn)原理及方法92.1 焊球以及焊點(diǎn)的制備92.1.1 BGA焊球的制備92.1.2 焊點(diǎn)的制作102.2 回流焊試驗(yàn)102.2.1 回流工藝簡介102.2.2 錫膏回流溫度曲線的設(shè)定112.2.3 回流焊機(jī)簡介112.3 金相試樣的制備122.

11、3.1 實(shí)驗(yàn)材料122.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備122.3.3 試驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)132.4 納米壓痕法測試142.5 本章小結(jié)15第3章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析163.1 引言163.2 BGA焊點(diǎn)納米壓痕實(shí)驗(yàn)及結(jié)果163.2.1 納米壓痕實(shí)驗(yàn)參數(shù)163.2.2 不同Ce含量對無鉛釬料SAC0307的循環(huán)行為影響173.2.3 不同保載時間對SAC0307-0.07Ce的力學(xué)行為影響203.3 結(jié)論21結(jié)論23致謝24參考文獻(xiàn)25附錄A27附錄B36- V -第1章 緒論1.1 課題背景隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，電子封裝工藝也呈現(xiàn)出日新月異的進(jìn)步，釬料合金常常作為連接材料被用于電子封裝工藝中，把電連接起來的同時

12、也把兩個焊料在物理上連接起來。熔點(diǎn)為183的二元Sn-Pb系列合金，主要成分是由共晶或者是近共晶組成的。在過去的幾十年里，電子產(chǎn)業(yè)中主要是運(yùn)用該合金，是最主要的選擇之一，原因是其具有非常好的潤濕性和可靠性1。鉛對兒童的危害極其重要，有損傷其智商及身體發(fā)育的危險。因此，近幾年來在電子封裝與組裝技術(shù)中最迫切需要解決的問題是電氣與電子設(shè)備無鉛化進(jìn)程。與此同時，由于受經(jīng)濟(jì)與人們環(huán)保意識的影響回收含鉛的電子產(chǎn)品目前而言仍然是個很大的問題，這也使得無鉛釬料邁著更快的步伐向前走去。另外，由于比較小的、重量很輕的以及多功能的電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，使得人們對于無鉛釬料焊點(diǎn)的電學(xué)性能、力學(xué)性能以及熱學(xué)性能的要求也隨

13、之大大增高，即對于無鉛釬料焊點(diǎn)的可靠性要求越來越高。因此，綠色無鉛釬料合金方向成為目前世界上被廣泛研究的熱點(diǎn)之一2。作為綠色無鉛釬料，Sn-Ag-Cu釬料有很好的延展性，外觀光亮。為了提高Sn-Ag-Cu釬料的微觀組織和力學(xué)性能，像La、Ce和Y等稀土元素被廣泛的加入到無鉛釬料中。中南大學(xué)的劉文生等人的研究表明，微量的稀土元素可以大大改善釬料的組織性能，細(xì)化晶粒，凈化和改善金相組織。因此稀土元素在工業(yè)生產(chǎn)中稀土元素被稱為金屬中的維生素。納米壓痕技術(shù)，一般也稱作深度敏感壓痕技術(shù)，是目前人們所使用的最簡單的測試材料力學(xué)性能的方法之一，可以在不分離薄膜與基底材料的情況下，在納米尺度上測量材料的各力學(xué)

14、性能，如載荷-位移曲線、彈性模量、壓痕硬度、斷裂韌性、應(yīng)變硬化效應(yīng)以及粘彈性或蠕變行為等3。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 BGA 的研究現(xiàn)狀BGA的含義就是球形觸點(diǎn)陣列。 在PCB板的背面如果按照陣列方式排列的話，排列出的球形觸點(diǎn)被人們稱之為引腳。BGA封裝實(shí)例如圖1-1所示。圖1-1 BGA封裝BGA具有以下特點(diǎn)：(1)成品率得到了提高。在PCB板焊接時應(yīng)用了BGA焊接技術(shù)以后，使得其失效率大大減小，而且并不需要對加工工藝做一些較大的改動；(2) 現(xiàn)有的工藝設(shè)備可以用來焊接中心距僅僅為1.27 mm的BGA焊點(diǎn)。如果QFP的引腳中心距縮小到0.3 mm時，其引腳間距卻只有0.1

15、5 mm，這就需要精密焊接工藝，在實(shí)際操作時是很困難的；(3)使得引腳更小，從而使得單位體積上可焊接的引腳數(shù)更多；(4) 明顯改善了原本因?yàn)楣裁娑斐傻膿p壞的情況，共面損壞明顯減少；(5)其具有非常牢固的引腳，然而之前的QFP引腳不夠牢固，存在容易變形的問題；(6)BGA電性能強(qiáng)；(7)散熱的能力很強(qiáng)4。更小的電子產(chǎn)品成為一種不可或缺的日常用品，目前國內(nèi)外所面臨的主要問題是體積更小而信息量更大及時間更短而處理速度更加快。為了滿足日益發(fā)展的需求，焊點(diǎn)尺寸只能向著更加微小的方向發(fā)展，從而使得電路組裝的密度得到了很大的提高。當(dāng)前，有很多國家都生產(chǎn)、應(yīng)用BGA封裝件。Motorola、Cassia、C

16、itizen、National SemiconductorLSI Logic、IBM、SAT、Olint和ASE、BULL等公司（集團(tuán)）目前都生產(chǎn)BGA封裝或相關(guān)產(chǎn)品。據(jù)資料分析介紹：去年，美國Alphatec和IPAC兩家大的BGA電子封裝公司建立了PBGA生產(chǎn)線，經(jīng)過認(rèn)證可生產(chǎn)352700個引線的范圍。目前，BGA(UBGA)已廣泛應(yīng)用于各個方面：汽車領(lǐng)域(發(fā)動機(jī)控制器、超級汽車、汽車娛樂產(chǎn)品) ，通信領(lǐng)域(傳呼機(jī)、智能手機(jī)、調(diào)制解調(diào)器)，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域(巨型計(jì)算機(jī)、PC、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī))。例如，在1996年9月正式開始銷售的Sony數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，體積約為很小，電路組件由40塊IC組成，有20塊UB

17、GA裝件，Intel公司采用Tessera公司的UBGA組裝閃速存貯器，它比采用相當(dāng)?shù)腡SOP封裝小80%。表1-1為BGA(UBGA)的應(yīng)用范圍5。表1-1 BGA/UBGA的應(yīng)用范圍應(yīng)用/市場焊點(diǎn)類型引出端數(shù)基板焊接方法材料制造工藝布線間距(m)汽車Cu上加SnPb-InPb電鍍絲印周邊陣列25040010100陶瓷再流焊計(jì)算機(jī)SnPb真空蒸發(fā)電鍍陣列210250500陶瓷再流焊電子顯示屏中MCMAu.SnPb鍍周邊陣列63.5100110126玻璃，硅再流焊，紫外光固化樹脂IC卡SnPb電鍍周邊140160100疊層板再流焊計(jì)算機(jī)，通訊及IC卡SnPb真空蒸發(fā)電鍍陣列250300500疊

18、層板再流焊通訊設(shè)備（含BP機(jī)）SnPb真空蒸發(fā)周邊2002040陶瓷，疊層板再流焊絲印陣列150200840硅再流焊鍍或真空蒸發(fā)陣列22535084400疊層板，陶瓷再流焊無繩電話用功率放大器Au電鍍陣列周邊不等<20陶瓷熱壓焊手表組件Cu上加SnPb電鍍絲印周邊2001360疊層板壓焊攝像機(jī)顯示LCD及便攜式電視機(jī)Au柱狀凸點(diǎn)鍵合周邊100140110126玻璃導(dǎo)電膠軍用(FPA)In電鍍陣列1004096三維多層硅再流焊軍用In-Au-SnPb真空蒸發(fā)陣列50120100262硅，藍(lán)寶石陶瓷冷焊1.2.2 無鉛釬料的發(fā)展現(xiàn)狀引入無鉛焊料在消除對環(huán)境以及人的影響以外同樣帶來了新的可靠性

19、問題：(1) 在剪切力作用下的疲勞與蠕變問題；(2) 電遷移問題；(3) “錫須”現(xiàn)象：即從錫和錫合金層生長出微小尺寸的錫晶須；(4) “虛焊”現(xiàn)象；(5) “立碑”現(xiàn)象：無鉛釬料較高的熔化溫度和表面張力使封裝釬焊過程中容易產(chǎn)生所謂的“立碑”缺陷6。幾年前，歐盟提出了RoHS：禁止或者盡量少的在電器電子產(chǎn)品中使用含有鉛等危害物質(zhì)的禁限用指令以來，大量的研究用在無鉛焊料和無鉛焊接工藝中，并已經(jīng)在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域廣泛使用7。為了滿足當(dāng)前的生產(chǎn)和更高的可靠性要求，新型的無鉛釬料各方面性能一般要求如下：1. 無鉛焊料所需元素應(yīng)具備廣泛的資源儲備，且要考慮價格因素降低成本；2. 熔點(diǎn)、可焊性、粘度、密

20、度等物理性能與鉛錫焊料相近；3. 具有良好的拉伸性能、剪切性能、蠕變性能、疲勞性能等力學(xué)性能；4. 熱性能較為優(yōu)良，熱機(jī)械性能（包括熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)）表現(xiàn)良好；5. 良好的兼容性，能與現(xiàn)有的液體助焊劑、工藝、材料等相匹配；6. 無毒性。如表1-2所示，為目前常用的無鉛軟釬料的合金元素。表1-2目前常用的無鉛軟釬料合金元素合金元素相對價格(Pb為1)熔點(diǎn)性能Sn8.1232塑性良好，但是強(qiáng)度和硬度較低，易于與其他元素組成合金Ag241962良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電和延展性能，與錫組成的合金潤濕性好，機(jī)械強(qiáng)度高Cu5.91083導(dǎo)電性好，可以延長焊點(diǎn)壽命Zn3.0419具有良好的耐大氣腐蝕性Bi7.527

21、1脆性大，導(dǎo)熱性能差I(lǐng) n196.2157具有顯著的潤濕性能和延展性能，但是價格昂貴Sb3.6631電阻率大，熔化后導(dǎo)電性增強(qiáng)由于無鉛釬料剛開始使用，因此使用無鉛釬料的BGA焊點(diǎn)是否具有長期可靠性，還不明確在使用中BGA無鉛釬料的失效機(jī)制，這些都有可能會對高可靠電子產(chǎn)品中使用無鉛釬料帶來風(fēng)險。目前，普遍的針對無鉛釬料焊點(diǎn)的焊接大約有三種方式：第一種是先把有鉛的器件焊接好，再單獨(dú)焊接無鉛器件，這個時候就需要用無鉛釬料；第二種是通過轉(zhuǎn)化把無鉛焊件根據(jù)情況換算為有鉛器件，再采用有鉛工藝直接焊接；第三種是無鉛器件直接采用有鉛焊料焊接8。但是隨著無鉛器件數(shù)量的增多，前兩種的方法效率低的缺點(diǎn)愈加的明顯，所

22、以第三種方法越來越受到人們的歡迎。因此研究把有鉛焊料和無鉛器件混合起來焊接的工藝以及形成的焊點(diǎn)的各項(xiàng)性能尤為重要。在可靠性中所涉及的影響因素有很多，其中包括的無鉛器件焊端和焊料的成分、焊料的用量、溫度曲線（主要參數(shù)為峰值溫度和液相以上停留時間）和焊點(diǎn)服役條件等。無鉛器件中大多數(shù)的球柵陣列集成電路錫球的成分為Sn-Ag-Cu（SAC）合金，該合金的熔點(diǎn)比Sn-Pb焊料的熔點(diǎn)高出約34 9。1.2.3 納米壓痕技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，雖然國內(nèi)外對焊點(diǎn)可靠性的研究工作已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是仍然有很多問題亟需解決。目前檢測材料力學(xué)性能最有效的方式是納米壓痕技術(shù)，也被人們稱之為深度敏感壓痕技術(shù)，該

23、技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)材料力學(xué)性能測量尺寸達(dá)到納米尺度，其中可測試的力學(xué)性質(zhì)包括斷裂韌性、應(yīng)變硬化效應(yīng)、硬度、位移-載荷曲線 、彈性模量、粘彈性或蠕變行為等。納米壓痕法具有很多的優(yōu)點(diǎn)，使用方便、操作快捷、結(jié)果準(zhǔn)確、壓痕直觀、無損等，納米壓痕實(shí)驗(yàn)的深度范圍很大，可以隨著加載力的變化得到從幾納米到幾百微米的不同深度的壓痕10。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王鳳江老師等人仔細(xì)研究了釬料在壓力作用下的變化，通過改變不同的加載速率分別對無鉛釬料Sn-3.0Ag-0.5Cu體釬料與Sn-4.0Ag-0.5Cu釬料BGA(bll garid rayra)焊點(diǎn)進(jìn)行了納米壓痕的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：釬料尺寸可以影響材料的力學(xué)性能11。結(jié)果如

24、圖1-2所示。圖1-2 Sn-3.0Ag-0.75cu體釬料及焊點(diǎn)壓痕P-h曲線哈爾濱理工大學(xué)的劉美娜等人對無鉛釬料BGA焊點(diǎn)的循環(huán)力學(xué)行為進(jìn)行了研究，通過Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-0.3Ag-0.7Cu無鉛釬料BGA焊點(diǎn)的納米壓痕法分析，保載時間、循環(huán)次數(shù)及最大載荷均對BGA焊點(diǎn)循環(huán)性能有著一定的影響。研究表明：當(dāng)最大載荷增加時，BGA焊點(diǎn)的前幾周循環(huán)中損傷累積較大，其后逐漸減小并趨于穩(wěn)定；隨著保載時間和循環(huán)次數(shù)的增加，蠕變和疲勞均會不同程度的加速焊點(diǎn)的失效12。如圖1-3所示。圖1-3 BGA 焊點(diǎn)的值隨加載次數(shù)的變化太原理工大學(xué)的楊雪霞等人采用納米壓痕法研究焊點(diǎn)內(nèi)IMC的力學(xué)行

25、為實(shí)驗(yàn)，測量得到了IMC在不同加載速率下的力學(xué)性能指標(biāo)，3種不同的IMC試樣均按照實(shí)際服役情況及工藝流程制備，研究得出無鉛焊點(diǎn)內(nèi)的IMC(Cu6Sn5)的彈性模量和硬度13，如表1-3所示。 表1-3 Cu6Sn5的力學(xué)性能參數(shù)值IMCE/GPaH/GPaPmax/mNPmax/mNPmax/mNCu6Sn5(SAC)98.93±3.375.18±0.1421.3023.1324.33Cu6Sn5(SC)113.55±4.585.78±0.1123.2525.7928.25Cu6Sn5(SA)102.16±3.115.55±0.192

26、1.0522.6223.841.3 稀土元素對SAC系無鉛釬料組織及性能的影響想綜合研究SAC系列無鉛釬料的各方面性能可從以下方面進(jìn)行：1. 從多元化角度設(shè)計(jì)合金成分，在降低釬料成本的同時，提高釬料的可焊性和焊點(diǎn)可靠性。2. 釬焊過程中加助焊劑能改善潤濕，提高釬料的抗氧化性和釬焊性，但助焊劑揮發(fā)易使焊點(diǎn)形成宏觀孔洞缺陷，因而，需采用優(yōu)化釬劑與釬料合金化相結(jié)合的方式，來改善Sn-Ag-Cu釬料的工藝性能，避免氧化夾渣及孔洞等缺陷危害焊點(diǎn)的可靠性。3. 從焊點(diǎn)形成機(jī)理的角度，深入分析組織結(jié)構(gòu)演變和界面行為，減小Sn-Ag-Cu釬料在凝固過程中過冷度，細(xì)化IMC晶粒；控制界面IMC層的厚度，抑制脆性

27、IMC的形成和生長，減少孔洞的形成提高焊點(diǎn)服役可靠性。4. 提高電子產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用價值，降低Sn-Ag-Cu合金的熱膨脹系數(shù)，提高焊點(diǎn)在交變載荷作用下的抗蠕變疲勞壽命，改善Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)抗沖擊/振動性能，滿足電子產(chǎn)品在特殊條件下的使用要求研發(fā)出高可靠性和持久耐用的Sn-Ag-Cu釬料。最終得出以下結(jié)論，如果想改變SAC系列無鉛釬料的物理性能，可以摻雜其他元素。加入微量的稀土元素后，使得釬料的工藝性能與常規(guī)的SAC305釬料相近，很明顯，這樣的話，該方法能夠有效改善無鉛釬料的工藝性能，這樣就能夠拓展其使用范圍，微電子封裝向著無鉛化大踏步的邁進(jìn)。南京航空航天大學(xué)的薛松柏等研究了向Sn-3.0

28、Ag-0.5Cu中添加微量稀土Ce對其物理與力學(xué)性能等的影響。結(jié)果表明，對Sn-Ag-Cu合金的性能參雜稀土Ce的添加達(dá)到0.1wt.%后，釬料會產(chǎn)生脆硬的稀土化合物相，會產(chǎn)生不利影響14。中南大學(xué)的盧斌等研究稀土Er的較好添加量為0.05wt.%0.25wt.%，對此時Sn3.0Ag0.5Cu釬料合金顯微組織以及性能的影響最好。綜合以上參考數(shù)據(jù)分析，在釬料的選擇上本課題采用的基礎(chǔ)釬料是低銀型SAC0307-0.07La四元化釬料，并且通過添加0.03wt.%0.10wt.%的Ce的影響規(guī)律來研究Ce含量的變化對SAC0307-0.07La/Cu焊點(diǎn)界面IMC晶粒與長大與焊點(diǎn)性能等。Lucas

29、等測得界面處Cu3Sn和Cu6Sn5化合物層彈性模量分別為136和108 GPa，硬度為6.5和5.9GPa，基體內(nèi)的Ag3Sn的模量和硬度分別為86.4和3Gpa，并發(fā)現(xiàn)Ag3Sn力學(xué)性能具有各向異性。他們還測得富Sn區(qū)蠕變應(yīng)力指數(shù)n=10.8，共晶組織區(qū)域n=17.7，CuSn化合物顆粒處n=37.8。Xu等人也對Cu3Sn和Cu6Sn5的彈性參數(shù)進(jìn)行了測試，結(jié)果較Lucas結(jié)果偏低，另外他們還對Ni-Cu-Sn三元相進(jìn)行了測試15。Jang和Chen等人測得Ni3Sn4硬度為7.0GPa，彈性模量為143134GPa。哈爾濱工業(yè)大學(xué)林鵬榮對含有限晶粒微小無鉛焊點(diǎn)的力學(xué)行為進(jìn)行了研究。以得

30、到各體積SAC/Cu微焊點(diǎn)基體中各晶粒之間的力學(xué)性能差異為目的，對直徑400mSAC/Cu焊點(diǎn)進(jìn)行納米壓痕測試，得到了壓痕載荷-深度曲線，并擬合得到彈性模量-深度曲線和硬度-深度曲線。研究表明：納米壓痕測試無法得到同一焊點(diǎn)不同取向晶粒間的各向異性性質(zhì)。但對不同體積SAC/Cu微焊點(diǎn)進(jìn)行納米壓痕測試，各體積微焊點(diǎn)的彈性模量測試結(jié)果卻有著顯著差異，可能是Sn晶體的各向異性對整體微焊點(diǎn)作用的結(jié)果，導(dǎo)致各體積微焊點(diǎn)整體平均性能產(chǎn)生顯著差異16。Pmyeolr上研究了不同含量的Ce和La的稀土元素對Sn-0.7Cu合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時，Sn-0.7Cu合金

31、的顯微組織得到細(xì)化，并且Cu6Sn5金屬間化合物呈細(xì)小均勻分布。近期，Xia研究了稀土元素對SnAgBi釬料合金中的金屬間化合物的影響。1.4 研究目的及意義近幾年來，國內(nèi)外很多學(xué)者開始深入研究無鉛釬料在BGA電子封裝中的使用，一致認(rèn)為改良過的的無鉛釬料應(yīng)該有以下特點(diǎn)：工藝性能即焊接性、美觀、實(shí)用性良好、焊點(diǎn)可靠性很高、優(yōu)良的力學(xué)性能、成本低廉，即性價比高等。近幾年來國內(nèi)外普遍應(yīng)用的二元系列無鉛釬料合金有： Sn-Zn系列，Sn-Cu系列，Sn-Ag系列，Sn-Bi系列等；無鉛釬料發(fā)展至今，多元化已經(jīng)成為一種趨勢。此外，相對大部分無鉛釬料合金相比成本較低的Sn-Cu二元合金及其改性合金Sn-C

32、u-Ni (Ge) 被廣泛應(yīng)用于波峰焊。在目前種類繁多的無鉛釬料當(dāng)中，SAC二元合金系因?yàn)槠湓趯?shí)際生產(chǎn)中具有無可替代的實(shí)用性，因此在工廠以及各公司選擇時占據(jù)很大的份額。蠕變是指材料在長時間恒溫，恒載荷條件下，緩慢發(fā)生的塑形變形。電子元器件與基板的連接是通過釬料焊接完成的。蠕變的方式主要有位錯蠕變和擴(kuò)散蠕變。完整的IMC被認(rèn)為是代表良好焊接一個標(biāo)志，但這層界面IMC同時也被認(rèn)為是影響焊點(diǎn)失效關(guān)鍵因素。目前國內(nèi)外比較認(rèn)可的是Ag含量大都在3.0%以上SAC系列釬料合金，因?yàn)殂y含量較高，因此其力學(xué)性能比有鉛釬料Sn-Pb合金差很多。另外，相對于傳統(tǒng)的有鉛釬料Sn-Pb合金而言，由于其含銀量太大而使得

33、其成本太高，由于含銀量太高而造成的種種弊端必定會影響高銀型SAC系列釬料的應(yīng)用和推廣。因此，近年來國內(nèi)外大都致力于低銀型無鉛釬料的研究。但是，低銀無鉛焊料自身有熔點(diǎn)過高、潤濕性差、力學(xué)性能不好等特性的限制。因此最重要的是對無鉛釬料的改進(jìn)和優(yōu)化。所以本課題研究稀土元素Ce對SAC0307-0.07La無鉛釬料焊點(diǎn)微結(jié)構(gòu)及性能影響。本課題一方面顯示了在研究釬料所形成的焊點(diǎn)力學(xué)性能參數(shù)在循環(huán)載荷下的可靠性和可行性的納米壓痕技術(shù)，這是一種新的測試焊點(diǎn)的力學(xué)性能好壞的手段。另一方面，通過改變在SAC0307系列無鉛釬料中加入微量的稀土元素的含量來研究稀土元素是否能提高焊點(diǎn)的可靠性。為此開發(fā)具有低成本，抗

34、蠕變性能好，綜合性能優(yōu)異的無鉛釬料奠定理論基礎(chǔ)，使得電子行業(yè)飛速發(fā)展。1.5 實(shí)驗(yàn)步驟1. 在我們本次做實(shí)驗(yàn)之前，Sn-3.0Ag-0.7Cu宜優(yōu)先制備，因?yàn)槠渌麕追N釬料都是以Sn-3.0Ag-0.7Cu為基體往內(nèi)部添加稀土元素Ce的，以用于研究焊點(diǎn)硬度彈性模量和蠕變性能對微量稀土元素Ce的影響。2.試驗(yàn)采用SAC0307-xCe釬料，其中x分別為0, 0.03%，0.05%, 0.07%, 0.10%。在電爐坩堝中倒入約三分之二的丙三醇，通電加熱，加熱到280，以用來制備上下誤差不超過20m，直徑為900m左右的BGA焊球，既焊球直徑最大允許范圍是880-920m。為避免因隨機(jī)誤差而造成數(shù)據(jù)

35、的不準(zhǔn)確性，所以每組數(shù)據(jù)都用9個焊球分3個試樣進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)融化后的釬料鋪展成球并冷卻后，用鑷子把焊球逐個夾出，置于無水乙醇中洗滌，確定把焊球表面的丙三醇全部洗凈，然后用游標(biāo)卡尺逐一測量獲得的焊球，最后將直徑大小符合規(guī)定的焊球裝入袋中。3.將置于超聲波機(jī)清洗過后的 BGA 焊球置于涂有無鉛助焊膏的 PCB 板的銅焊盤上，置于回流焊機(jī)內(nèi)進(jìn)行回流焊。使用回流焊機(jī)焊接完成后，將整個試樣焊球朝上再次置于超聲波機(jī)內(nèi)進(jìn)行清洗三到五分鐘，最后用混合后的漿糊狀牙托粉鑲嵌試樣。4.分別采用80#,1200#，1600#,2000#,2500#的砂紙進(jìn)行打磨，將精磨后的試樣在拋光機(jī)上用最軟的金剛石拋光劑對試樣進(jìn)行拋

36、光。拋光過程中大約每隔三十秒就要用金相顯微鏡仔細(xì)觀察一次，直到試樣表面無劃痕為止，光亮，無陰影，這樣才符合標(biāo)準(zhǔn)，試樣高度約為三個硬幣高度。5.拋光完成后，用納米壓痕儀逐個打壓痕。第2章 實(shí)驗(yàn)原理及方法2.1 焊球以及焊點(diǎn)的制備2.1.1 BGA焊球的制備實(shí)驗(yàn)前期，進(jìn)行五種釬料的制備。制備方法是按照每種釬料中設(shè)定的各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比配制出對應(yīng)的釬料。Sn-3.0Ag-0.7Cu宜優(yōu)先制備，因?yàn)槠渌麕追N釬料都是以Sn-3.0Ag-0.7Cu為基體往內(nèi)部添加稀土元素Ce的。將制備得到的五種釬料分別切出一部分均勻的碎末，要求碎末均勻（且在切的過程中最好使碎末成立體狀，而不是薄皮狀這樣有便于熔球前進(jìn)行估

37、計(jì)、預(yù)測焊球成型大小，這樣可以大大提高制備焊球的成功率），接著將適量丙三醇倒入熔煉釬料的電爐坩堝（如圖2-1a）中，插電，設(shè)定融球溫度為280°C左右，然后把碎末均勻的撒入坩堝中，使用鑷子將碎末浸入丙三醇中，并處于坩堝底部。靜置一段時間使其進(jìn)行熔球過程（在熔球過程中，一定要保證其四周無噪聲，無振動，無較大的空氣流動以防止在坩堝內(nèi)的碎末聚集接觸在一起形成較大的熔球，避免因?yàn)檫@些不確定因素從而導(dǎo)致浪費(fèi)材料）。碎末受熱逐漸鋪展成球，待冷卻后用鑷子逐個將球夾出。用超聲波儀器清洗，最后用游標(biāo)卡尺逐個進(jìn)行測量，選取直徑為900m的小球（要求精度為上下誤差不超過20m，既焊球直徑允許范圍是880-

38、920m）合格BGA小球如圖(2-1b)所示。 a)焊球制作設(shè)備 b)制備好的焊球圖2-1焊球及制作設(shè)備2.1.2 焊點(diǎn)的制作設(shè)取直徑為0.96mm的Cu片及適當(dāng)大小的PCB電路板作為基板，首先用粗砂紙稍微磨一下焊板表面，去除Cu表面的氧化膜，最后利用超聲波清洗儀進(jìn)行清洗17。晾干后用小鋸子把焊板鋸成大小大約為2cm×4cm的PCB焊板備用，每個PCB板上都含有三個焊點(diǎn)。將融好合乎規(guī)范的BGA小球放到處理過的Cu片及電路板上，涂上焊膏后放入回流焊機(jī)中進(jìn)行焊接。為避免偶然誤差，必須保證試樣除了Ce含量和保載時間不同以作為變量以外其余條件的完全一致，以保證每個試樣在操作過程中處于相同的試

39、驗(yàn)條件18。2.2 回流焊試驗(yàn)2.2.1 回流工藝簡介把制備好的焊板放入超聲波清洗儀清洗大約五到十分鐘，以把焊盤表面的雜質(zhì)完全除去。在晾干后的在Cu焊盤上滴入適量的助焊膏（目前常用的助焊劑為松香，作用為去除焊盤表面氧化膜以及增加釬料在焊盤上的潤濕性）。然后將用超聲波清洗儀器清洗完成的五種釬料的BGA焊球分別放到PCB板的銅焊盤上。最后將帶有BGA焊球的PCB板放在銅片上，一起放入回流焊機(jī)中進(jìn)行焊接。回流焊接后的焊接實(shí)體如圖2-2所示。圖2-2 回流焊接后的焊接實(shí)體回流焊機(jī)的操作過程：開機(jī)：打開總電源焊機(jī)電源電腦開關(guān)啟動綠色按鈕打開軟件輸入密碼打開串口控制屬性參數(shù)填寫（溫度調(diào)節(jié)）寫入數(shù)據(jù)左邊的開

40、始運(yùn)輸、開始加熱巡檢，預(yù)熱將PCB板放在回流焊機(jī)中進(jìn)行焊接。關(guān)機(jī)：倒序電腦X紅色按鈕半個小時后關(guān)閉總電源。注：焊接前進(jìn)行預(yù)熱達(dá)到可進(jìn)行焊接的標(biāo)準(zhǔn)為各區(qū)域預(yù)設(shè)溫度數(shù)值與實(shí)際溫度值相等。2.2.2 錫膏回流溫度曲線的設(shè)定典型的回流焊曲線由四個區(qū)間組成：前面三個為升溫加熱區(qū)、最后一個是降溫冷卻區(qū)。大多數(shù)錫膏都能用四個基本溫區(qū)成功回流，回流焊的溫度曲線如圖2-3所示。 圖2-3回流焊升溫曲線2.2.3 回流焊機(jī)簡介本實(shí)驗(yàn)采用的回流焊機(jī)為小型無鉛熱風(fēng)回流焊機(jī)R340C，它共有8個溫區(qū)，電腦分別控制每個溫度區(qū)間。通過紅外線與熱風(fēng)微對流方式加熱，通過軸流風(fēng)機(jī)冷卻19。溫度范圍是室溫到300，溫控準(zhǔn)確度為&#

41、177;2。其額定電壓380V，頻率50Hz，如圖2-4。圖2-4回流焊機(jī)2.3 金相試樣的制備2.3.1 實(shí)驗(yàn)材料已焊有900微米焊球的PCB板十五塊（其中每三塊板上焊球的稀土元素Ce的含量相同，一共有五組，共十五個焊件），自凝牙托粉和自凝牙托水（甲基丙烯酸甲脂）足量2500#,2000#,1600#,1200#,80#的金相水砂紙各數(shù)張，拋光布2塊，金剛石拋光劑（粒度0.5m）1瓶。2.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1）本實(shí)驗(yàn)用到的試樣拋光預(yù)磨機(jī)是沈陽科晶設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的UNIPOL-820型金相拋光預(yù)磨機(jī)(如圖2-5a)。該機(jī)器采用粗細(xì)不同的金相砂紙，這樣可以對不同硬度的金屬和合金的試樣進(jìn)行打

42、磨拋光處理。使用本預(yù)磨機(jī)這一機(jī)器不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出人工磨削制備試樣效率，而且還可以在磨削的過程中把試樣表面完全磨平，以消除表面的塑性變形，供進(jìn)一步拋光后進(jìn)行金相照相和觀察20。 a)金相拋光機(jī) b) GX71-6230A金相顯微鏡圖2-5 金相拋光機(jī)和GX71-6230A金相顯微鏡拋光機(jī)特征如下：（1) 回轉(zhuǎn)件設(shè)計(jì)合理，噪音低；（2）速度以數(shù)字形式顯現(xiàn)出來；（3）預(yù)磨機(jī)在工作時，噴嘴不斷將自來水注入磨盤里，在離心力和外圈橡膠的壓力作用下砂紙緊貼在磨盤上；（4）該機(jī)配備不銹鋼的配件，外殼使用的是玻璃鋼，機(jī)體不易生銹，使得該產(chǎn)品能夠使用更長時間。拋光預(yù)磨機(jī)技術(shù)參數(shù)如表2-1所示。表2-1 拋光預(yù)磨機(jī)主要

43、技術(shù)參數(shù)磨盤直徑磨盤轉(zhuǎn)速輸入功率外型尺寸凈重203mm（8英寸）50-600r/min165W X 2700×500×300mm43Kg(2) 本實(shí)驗(yàn)所用的金相顯微鏡為 GX71-6230A金相顯微鏡（如圖2-4b）。金相顯微鏡主要參數(shù)如表2-2所示。表2-2 金相顯微鏡主要參數(shù)設(shè)備型號制造廠商最大放大倍率最小分辨率最小視場直徑最小焦深GX71-6230A（日本）奧林巴斯工業(yè)株式會社1500×0.37m0.14mm0.60m2.3.3 試驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)1. 金相試樣采用冷鑲嵌，具體步驟：取硬紙一張，置于平面桌上，然后將焊好的試樣用鑷子夾起垂直放入模具中間，并用雙

44、面膠把試樣豎直粘好，再將硬紙剪成約一掌寬，卷成圓柱形，同樣粘在底部的硬紙上。將自凝牙托粉倒入簡易容器內(nèi)，再倒入一定量的自凝牙托水，使其均勻混合，得到糊狀的混合試劑，一邊攪拌一邊把混合試劑倒入用硬紙做成的圓柱形的模具內(nèi)。待凝固后，撕去外面的硬紙便得到鑲嵌好的金相試樣。 a)混合均勻的牙托粉 b)鑲嵌完成的試樣圖2-6利用自凝牙托粉制成的金相試樣2. 先用最粗的80#砂紙進(jìn)行粗磨，最終結(jié)果的使鑲嵌焊接試樣的一面露出釬料和基板界面后立即停止磨削，使得試樣表面始終保持平整。然后逐次換用1200#,1600#,2000#,2500#的砂紙精磨。用力要輕、要均勻，不要用力過大，以免在打磨試樣時有劃痕出現(xiàn)或

45、者有形變層形成。3. 由于組織中兩相的硬度較為懸殊。所以在磨試樣和拋光時容易產(chǎn)生凹凸不平，故在拋光時宜采用較為軟的金剛石膏劑進(jìn)行拋光，應(yīng)選拋光絨布要用短毛的織物。拋光時不可用力過大，避免拋光劑對試樣表面腐蝕過度，拋光時間一般約35分鐘 21。拋光劑也不宜過度，應(yīng)注意水流大小和拋光劑的配合。若拋光劑過多，有可能造成拋光過度，使得金剛石顆粒嵌入試樣，造成影響。在拋光的過程中不斷使用金相顯微鏡觀察試樣表面磨損情況，大約每三十秒左右就要觀察一次，直到試樣表面光滑，無劃痕，無拋光黑點(diǎn)，完全符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)為止。4.試樣高度磨為5mm，確保能進(jìn)行壓痕試驗(yàn)。2.4 納米壓痕法測試本試驗(yàn)采用日本島津公司生產(chǎn)的DU

46、H-211S超顯微動態(tài)硬度計(jì)22，如圖2-7所示。本裝置獲得的硬度是壓頭在壓入過程中的動態(tài)硬度，可以對樣品的塑性變形部分和彈性變形部分進(jìn)行分析評價。另外，可以通過高倍顯微鏡仔細(xì)觀察壓痕的大小，當(dāng)壓痕大到能夠從對角線的長度測定時就可以得到努氏硬度和維氏硬度。納米壓痕儀的主要參數(shù)如表2-3所示。表2-3 納米壓痕儀的主要參數(shù)試驗(yàn)力范圍試驗(yàn)力精度位移測量范圍位移測量精度壓頭類型放大倍率0.11961mN顯示值的±1%010m0.0001m115º三角錐壓頭×500在使用過程中一定要注意先用物鏡與目鏡進(jìn)行對準(zhǔn)，然后再將壓頭移過來進(jìn)行壓痕。而在用物鏡觀察對準(zhǔn)時先旋轉(zhuǎn)最大刻度

47、的高度調(diào)整旋鈕，待距離較近后再用細(xì)微的高度調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行調(diào)整，此時需要通過觀察與物鏡相連的攝像機(jī)在屏幕上呈現(xiàn)出來的圖像同步進(jìn)行調(diào)整。直至屏幕中可以清晰的看見焊點(diǎn)表面。當(dāng)壓痕過程結(jié)束后壓頭會恢復(fù)到初始位置。再移動壓頭，換成物鏡進(jìn)行觀察。圖2-7 DUH-211S超顯微動態(tài)硬度計(jì)納米壓痕法主要通過測量加卸載過程中壓頭作用力與載荷深度得到的加卸載曲線來獲得樣品的硬度與彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)。進(jìn)行納米壓痕測試時壓頭需垂直于樣品被壓面，等壓頭接觸試樣表面后開始加載，直至加載到最大規(guī)定值后再緩慢卸載，實(shí)時檢測壓頭壓入位移隨載荷的變化。納米壓痕法測試的結(jié)果就是一組加載載荷-位移曲線(即為P-h曲線)，要想得到

48、被壓材料的彈性模量、硬度等力學(xué)性能參數(shù)，需要進(jìn)行反物理解析計(jì)算壓痕P-h曲線23。納米壓痕法不像傳統(tǒng)測量硬度的直接成像法，而是采用直接分析對 P-h 曲線從而可以得到接觸壓痕的面積，納米壓痕法獲得壓痕的接觸面積 A 最常用的方法是由 W.C.Oliver 和 GM.Prhar 所創(chuàng)建的 O&P 方法24。2.5 本章小結(jié)想要使得實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，首先在實(shí)驗(yàn)前要制定合理可行的實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)過程中要時刻遵守相關(guān)規(guī)程。本章重點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前制定合理的實(shí)驗(yàn)方案，選擇正確適用的實(shí)驗(yàn)材料，在實(shí)驗(yàn)過程中規(guī)范操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，及時糾正突發(fā)狀況，以降低人為因素的影響。經(jīng)過合理可行的操作制備的焊點(diǎn)試樣，對之后的

49、數(shù)據(jù)與問題分析并得出結(jié)論做了重要的準(zhǔn)備。第3章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3.1 引言雖然已經(jīng)成為被公認(rèn)的最佳的無鉛釬料替代物，但在實(shí)際應(yīng)用過程中Sn-Ag-Cu系列釬料存在表面張力大，潤濕性差，熔點(diǎn)高等問題，另外，該系列釬料的液相線溫度和固相線溫度，即共晶點(diǎn)還沒有統(tǒng)一，無論怎么努力固-液線始終未曾重合，這就使得在焊接過程中，釬料始終處于半融化狀態(tài)，而容易造成虛焊。較低的銀含量盡管可以降低釬料的成本，卻導(dǎo)致釬料潤濕性、抗蠕變性等工藝性能下降，而蠕變性能對BGA焊點(diǎn)的力學(xué)行為有重要影響，焊點(diǎn)可靠性成為一個必須面對的問題。使得其糊狀區(qū)間盡可能的小，最終在焊接過程中形成穩(wěn)固可靠的連接焊點(diǎn)也成為重點(diǎn)。此外，在整體組

50、裝過程中還有可能使得PCB基板彎曲，從而使焊點(diǎn)受到拉伸或者是扭曲載荷，因此無鉛釬料的綜合力學(xué)性能也必須滿足在實(shí)際的應(yīng)用條件，其力學(xué)性能應(yīng)接近或優(yōu)于傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料合金。所以本課題在降低銀含量的同時，選擇添加微量的稀土元素Ce以改變釬料的綜合性能。本章介紹了利用目前常用的納米壓痕技術(shù)對添加不同含量的稀土元素Ce的低銀SAC0307無鉛釬料焊點(diǎn)施加相同加載速率但是保載時間不同，從而更加系統(tǒng)地研究了微量的稀土元素Ce對Sn-0.3Ag-0.7Cu釬料焊點(diǎn)壓痕硬度、拉伸強(qiáng)度、彈性模量、蠕變抗力和顯微硬度等各項(xiàng)力學(xué)性能的影響以及保載時間對無鉛釬料焊點(diǎn)的蠕變大小程度及蠕變快慢速度的影響。3.2 BGA

51、焊點(diǎn)納米壓痕實(shí)驗(yàn)及結(jié)果3.2.1 納米壓痕實(shí)驗(yàn)參數(shù)本研究采用循環(huán)加載-卸載的方式，每組壓痕實(shí)驗(yàn)循環(huán)為十五次，最大載荷為200mN。保載時間分四組分別為0s，5s，10s，20s；加載速度設(shè)置為20 mN/s，卸載速度和加載速度保持一致。納米壓痕實(shí)驗(yàn)過程中，為了避免所打壓的兩個壓痕因?yàn)橄嗑嗵沟脩?yīng)力場相互影響而最終導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而制成整個實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤，兩個相鄰壓痕之間必須要至少保證3倍壓痕大小的距離。3.2.2 不同Ce含量對無鉛釬料SAC0307的循環(huán)行為影響圖3-1所示為循環(huán)載荷條件下的五種不同Ce含量的BGA焊點(diǎn)的壓痕深度隨時間的變化曲線。從圖3-1可以看出，在循環(huán)加載下，對應(yīng)于每一

52、次加載-卸載，壓痕深度在增長的過程中存在明顯的峰值和谷值，焊點(diǎn)的壓痕深度呈往復(fù)式增長；每一個加載卸載過程中，卸載后深度的回彈量較之于其相對的加載過程產(chǎn)生的壓痕深度有明顯的減小，即產(chǎn)生了明顯的塑性變形；從總的循環(huán)加載過程可以看出，五種Ce含量的BGA焊點(diǎn)的壓痕深度均隨著循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)了明顯的增加，且隨著時間的增加，壓痕深度的增加幅度呈現(xiàn)下降趨勢。 a)SAC0307 b)SAC0307-0.03Ce c)SAC0307-0.05Ce d) SAC0307-0.07Ce e) SAC0307-0.1Ce圖3-1 五種不同Ce含量的BGA焊點(diǎn)時間-深度曲線五組時間-深度曲線均呈現(xiàn)往復(fù)式的增長這一

53、特性符合循環(huán)加載的加載特點(diǎn)。在加載過程中，隨著載荷的增加，焊點(diǎn)內(nèi)部的位錯在應(yīng)力的作用下沿滑移面逐步移動。隨著時間延長壓痕深度不斷增加是由于每一次加載都對上一次卸載后材料的回彈有一定的抑制作用，這導(dǎo)致了位錯的不斷滑移。由于每一次的加載都會在焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生一定的位錯堆積，循環(huán)加載導(dǎo)致了位錯的不斷堆積，并形成割階，因此產(chǎn)生了多滑移加工硬化，增加了位錯移動的難度，阻止深度的持續(xù)增加。將五組焊點(diǎn)的時間-深度曲線對比分析，如圖3-2所示。由圖可以看出，隨著釬料中在Ce含量的不斷增長，焊點(diǎn)在受相同載荷大小條件下，壓痕的深度不斷降低，且由于受到循環(huán)載荷的影響，焊點(diǎn)深度的變化趨勢呈現(xiàn)起伏性規(guī)律。但當(dāng)釬料中Ce含量

54、達(dá)到0.1%時，規(guī)律發(fā)生變化。可以明顯的觀察到，壓痕的深度同比升高很多。在0到0.07范圍內(nèi)時，釬料的壓痕深度隨著Ce含量的增加而減小，在Ce含量為0.1時，壓痕深度驟然增加。圖3-2所示為SAC0307-xCe五種釬料的壓痕深度隨時間變化曲線，由圖可以看出，在Ce含量在0%到0.07%范圍內(nèi)時，釬料的壓痕深度隨著Ce含量的增加而減小，在Ce含量為0.1%時，壓痕深度驟然增加。圖3-2 五種釬料的壓痕深度隨時間的變化曲線根據(jù)由納米壓痕儀得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，分別得出五種釬料的硬度值以及在十五次循環(huán)下的總?cè)渥兾灰苃，結(jié)果如表3-1所示。表3-1 五種釬料的硬度及總?cè)渥兾灰茖Ρ肉F料硬度(N/mm2)

55、總?cè)渥兾灰疲╩）SAC030764.6841.7776SAC0307-0.03Ce89.2581.5647SAC0307-0.05Ce89.7171.4861SAC0307-0.07Ce92.6251.3808SAC0307-0.1Ce83.7111.5470由此可見，加入 Ce后的釬料SAC0307后，硬度明顯增加，總的蠕變位移也出現(xiàn)了較為明顯的減小，其變化情況分別如圖3-3圖3-4所示。圖3-3BGA焊點(diǎn)的硬度隨Ce含量變化曲線 圖3-4 總?cè)渥兾灰齐SCe含量變化曲線釬料的顯微組織對該合金的性能起決定性作用，為了進(jìn)一步分析Ce的添加對釬料SAC0307的組織影響，本文對所要研究的釬料基體微

56、觀組織進(jìn)行了金相組織觀察。圖3-5為SAC0307-xCe釬料的金相顯微組織照片。 a)Sn-0.3Ag-0.7Cu b)Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.03Ce c)Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.05Ce d)Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.10Ce圖3-5 SAC0307-xCe釬料的金相顯微組織照片觀察上圖，其顯微組織結(jié)構(gòu)表明，通過添加少量的稀土元素Ce，其細(xì)微結(jié)構(gòu)中的焊料成分大致上還是一致的，只是所形成的焊料合金化合物和粒徑的組織形式不同。SAC0307釬料的基體是由富Sn相和少量的共晶組織組成，其中大部分的共晶組織為二元共晶組織，主要是顆粒狀的Cu6Sn5+-Sn相以及很少一部分尖狀像針的Ag3Sn+-Sn相，較為細(xì)小均勻，除此之外還有更少量的三元共晶，即-Sn+Cu6Sn5+Ag3Sn組織。無論是二元共晶還是三元共晶組織中的Ag3Sn相大都呈現(xiàn)出明顯的纖維狀或者是針狀，化合物Ag3Sn處于較為稀散的區(qū)域，可以觀察到其形狀較為粗糙，小塊特征較為明顯，Cu6Sn5呈圓片狀。化合物彌散