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黃堅儒

含鉛釬料在電子行業(yè)中已應用了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)境意識的增強，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。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，因為大部分四元或五元金屬合金都不是共晶材料，在不同的溫度下會形成不同的微觀組織，相應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，因此熔化溫度也會變，同三元合金相比，要想在焊膏內(nèi)的錫粉中實現(xiàn)質(zhì)量的一致性，其復雜性和困難程度將大的多；另外，合金系統(tǒng)的復雜化使循環(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是以微細或粗大的板狀Ag3Sn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小的共晶組織。在焊料/基體界面上，Sn-Ag合金在銅基體上會形成金屬間化合物，且近銅側(cè)為很少量的Cu3Sn相，近焊料側(cè)為Cu6Sn5相，銀幾乎不進入金屬間化合物層。焊料

能在很短的時間內(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，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形核，后期阻礙晶粒長大，起到細化晶粒的作用（但過厚的金屬間化合物也可能導致焊料組織脆硬性，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，因為晶粒細小，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，對改善機械性能有很大貢獻。錫銀銅的微觀組織對比1號和7號焊料，可以看出當Ag含量達到3.8％后，白色區(qū)域的組織明顯變大。這是因為在焊料中銀會與錫反應形成板狀的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，大板狀的Ag3Sn相可穿過整個焊接接頭的橫截面，嚴重影響了接頭在承受熱應力時的力學性能。研究報道低銀焊料合金在任何冷卻速率下都不會形成大板狀的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，同時還使強度降低，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，晶粒組織明顯細化，組織更加均勻。這是因為焊料在凝固時還形成了少量的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，反而會降低釬焊的可靠性。另外，由于Cu的熔點高，如果加入過多的Cu，會使焊料的熔點上升。錫銀銅的微觀組織焊接機理如圖所示的是焊接界面的反應機理示意圖。如圖所示Cu板中的Cu原子擴散至熔融的釬料中，與釬料中的Sn反應生成Cu6Sn5，隨著Cu原子的增加會Cu3Sn化合物出現(xiàn)，這是因為界面金屬間化合物中的Sn遠遠多于基體中的Cu，最初形成的Cu6Sn5將會轉(zhuǎn)化成Cu3Sn。擴散除了在基體中的體擴散之外，也不能忽略沿晶界和界

面的擴散。

如圖二分析釬料與Cu之間的反應生成物，由以上分析可知，焊錫的界面反應生成物主要由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,