第一組：SAC的焊接凝固行為和微觀組織

關(guān)于SAC的焊接凝固行為和微觀組織的讀書報(bào)告

組長： 1200150111龔似明 組員： 1200150103黎惠偵 1200150105譚麗娟 1200150109陳欣 1200150110鄧志彬 1200150113黃堅(jiān)儒

含鉛釬料在電子行業(yè)中已應(yīng)用了50余年，含鉛釬料（主要是Sn-37Pb和Sn-40Pb）一直處于優(yōu)勢地位，主要由于其成本低廉，在一些操作環(huán)境下有較高的可靠性。 然而，鉛是一種有毒物質(zhì)，對人體健康威脅非常大。隨著人們環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，鉛對環(huán)境的污染問題也提到了議事日程上來。鉛對人體的危害主要是由于金屬鉛受酸性物質(zhì)的影響，轉(zhuǎn)化成了離子鉛，并滲入到地下水，進(jìn)入人體后逐漸沉積到骨骼和內(nèi)臟所致。 錫銀銅自身所具備的優(yōu)良的性能，被公認(rèn)為最具代表性的有鉛焊料的替代品。無鉛錫銀銅（SAC）SAC三元合金的選擇

在SnAgCu三相合金基礎(chǔ)上，如果添加In、Bi、Zn等一種或兩種元素，可以降低合金系的熔點(diǎn)。雖然四元或五元金屬合金可以大幅度降低固相溫度，但對降低液相卻是無能為力，因?yàn)榇蟛糠炙脑蛭逶饘俸辖鸲疾皇枪簿Р牧?，在不同的溫度下?huì)形成不同的微觀組織，相應(yīng)對合金元素成分間極其精確的平衡、冶煉工藝、回流焊溫度的要求比三元金屬系統(tǒng)高；此外，四元或五元金屬合金成分易發(fā)生變動(dòng)，因此熔化溫度也會(huì)變，同三元合金相比，要想在焊膏內(nèi)的錫粉中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的一致性，其復(fù)雜性和困難程度將大的多；另外，合金系統(tǒng)的復(fù)雜化使循環(huán)再生過程變得范圍外，主要考慮SnAgCu三元合金系統(tǒng)。在Sn-Ag-Cu合金中，Ag和Cu幾乎不能固溶于β-Sn中，Cu是以棒狀組織Cu6Sn5的形式存在于合金中，Ag是以微細(xì)或粗大的板狀A(yù)g3Sn的形式存在于合金中。在Sn基體上分布著少量的金屬間化合物，枝晶組織為β-Sn初晶，粗大的金屬間化合物Ag3Sn的二元共晶和Cu6Sn5的二元共晶，針狀或短棒狀的是Ag3Sn與β-Sn的共晶，球狀或盤狀的是Cu6Sn5與β-Sn的共晶組織，而且這些金屬間化合物的量少。錫銀銅的微觀組織錫銀銅的微觀組織Sn-Ag-Cu系焊料合金本身具有細(xì)小的共晶組織。在焊料/基體界面上，Sn-Ag合金在銅基體上會(huì)形成金屬間化合物，且近銅側(cè)為很少量的Cu3Sn相，近焊料側(cè)為Cu6Sn5相，銀幾乎不進(jìn)入金屬間化合物層。焊料

能在很短的時(shí)間內(nèi)在銅界面形成扇貝狀金屬間化合物薄層，銅在焊接初期對金屬間化合物形核有貢獻(xiàn)，所以含銅的焊料金屬間化合物厚度稍大一些，對電子元件的可靠性是有利的。銅的加入在金屬間化合物形成的前期促進(jìn)形核，后期阻礙晶粒長大，起到細(xì)化晶粒的作用（但過厚的金屬間化合物也可能導(dǎo)致焊料組織脆硬性，造成不利影響）。觀察到的幾種Sn-Ag-Cu無鉛焊料的顯微組織如圖1所示，主要由富Sn相（黑色區(qū)域）及其共晶組織構(gòu)成，其中二元共晶組織包括Ag3Sn+β-（Sn）相和Cu6Sn5+β-（Sn），三元共晶組織為β-（Sn）+Ag3Sn+Cu6Sn5，共晶組織均勻分布在Sn基體上。添加Ag所形成的Ag3Sn，因?yàn)榫Я＜?xì)小，并且是穩(wěn)定的化合物，而且Ag幾乎不能固溶于Sn，加上高溫形成的Ag3Sn即使放置在高溫環(huán)境中也不容易粗大化，對改善機(jī)械性能有很大貢獻(xiàn)。錫銀銅的微觀組織對比1號(hào)和7號(hào)焊料，可以看出當(dāng)Ag含量達(dá)到3.8％后，白色區(qū)域的組織明顯變大。這是因?yàn)樵诤噶现秀y會(huì)與錫反應(yīng)形成板狀的Ag3Sn相，在再流焊的熔化過程中快速長大，而且銀含量越高，板狀的Ag3Sn相越大越多。銀含量為3.8%的合金在減小焊后冷卻速率時(shí)，大板狀的Ag3Sn相可穿過整個(gè)焊接接頭的橫截面，嚴(yán)重影響了接頭在承受熱應(yīng)力時(shí)的力學(xué)性能。研究報(bào)道低銀焊料合金在任何冷卻速率下都不會(huì)形成大板狀的Ag3Sn相，另外銀含量的增加使焊料在熱循環(huán)過程中晶粒粗化，同時(shí)還使強(qiáng)度降低，而且對疲勞和沖擊韌性也有不良影響。這也說明了低銀焊料的可靠性比高銀焊料好。

隨著Cu含量的增加，晶粒組織明顯細(xì)化，組織更加均勻。這是因?yàn)楹噶显谀虝r(shí)還形成了少量的Cu6Sn5初晶，少量的Cu6Sn5初晶呈棒狀分布在Ag3Sn與Sn基體之間，使組織更加細(xì)化。但Cu6Sn5不像Ag3Sn那樣穩(wěn)定，在高溫下易變成粗大的Cu6Sn5顆粒，因此生成過多的Cu6Sn5，反而會(huì)降低釬焊的可靠性。另外，由于Cu的熔點(diǎn)高，如果加入過多的Cu，會(huì)使焊料的熔點(diǎn)上升。錫銀銅的微觀組織焊接機(jī)理如圖所示的是焊接界面的反應(yīng)機(jī)理示意圖。如圖所示Cu板中的Cu原子擴(kuò)散至熔融的釬料中，與釬料中的Sn反應(yīng)生成Cu6Sn5，隨著Cu原子的增加會(huì)Cu3Sn化合物出現(xiàn)，這是因?yàn)榻缑娼饘匍g化合物中的Sn遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于基體中的Cu，最初形成的Cu6Sn5將會(huì)轉(zhuǎn)化成Cu3Sn。擴(kuò)散除了在基體中的體擴(kuò)散之外，也不能忽略沿晶界和界

面的擴(kuò)散。

如圖二分析釬料與Cu之間的反應(yīng)生成物，由以上分析可知，焊錫的界面反應(yīng)生成物主要由Cu6Sn5、Cu3Sn組成，而且Cu3Sn出現(xiàn)在Cu板與Cu6Sn5之間。錫銀銅的凝固

觀察發(fā)現(xiàn)在常規(guī)凝固條件下,錫銀銅合金通常形成粗大的樹枝晶,