空间超重力环境下电子组件微焊点可靠性试验装置的设计【含CAD图纸、说明书】
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摘要目前,由于科学技术的限制和试验成本的限制,人们对于电子组件微焊点的可靠性试验一般都集中于在地球正常重力的环境下进行,不远的将来,人类必然会在太空中开展各项活动。模拟大于地球重力加速度的超重力场试验环境对于指导未来在太空乃至其它具有超重力环境的星球之类的环境下可靠运行的电子产品或组件无疑具有十分重要的作用。本课题研制一种简易空间超重力环境模拟装置,在地面条件就实现大于地球重力加速度的超重力场试验环境,评估电子产品微焊点在超重力环境下的可靠性,满足未来在外太空超重力严酷环境下的安全使用要求。本试验以Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.06/Cu微焊点为研究对象,设计不同的时效温度(120、150、180)以及时效不同周期(0h、12h、24h、48h、72h、96h)对微焊点可靠性的影响。研究了超重力环境下,不同时效温度和时效时间对微焊点的抗拉强度、组织结构以及界面形态的作用规律,并分析界面IMC层的扩散现象,计算出不同时效时间的扩散系数,模拟化合物初生相生长,建立元素之间的亲和力方程。本课题通过对试验现象及数据的分析结果可知:空间超重力环境同一时效温度下,随着时效时间的延长,微焊点中内侧IMC层厚度以及外侧IMC层厚度都将增加并且界面形貌从针状到扇形最后到断续层状。时效温度分别为120、150、180,时效12h后界面内侧IMC层厚度分别增加3.66%、35.4%、77.6%,时效温度较高的情况下使得内侧IMC层 增长变化急剧。与此同时外侧界面增长从缓慢到急剧增长,说明温度对超重力环境下微焊点时效的影响极具破坏性。抗拉强度是随着界面层厚度的增加而逐渐减小,当厚度增大到一定程度时,界面层强度很低。从120到150再到180,时效12h后抗拉强度分别降低了102Mpa(下降了11.1%)、100.53Mpa(12.3%)、70.65Mpa(38.4%),随着时效时间的延长,抗拉强度的降低趋势逐渐平缓。其中最为直观的现象为内侧IMC层最为容易断裂,且直接影响抗拉强度值。内侧IMC层的厚度较厚而外侧IMC层的厚度较薄,由经验公式所得的激活能不符合实际情况(内侧较厚激活能应较外侧小),经过系数修正,由POWER LOW所求得的激活能Q内侧 值(142.85KJ)比Q外侧(162.11KJ)小,所以内侧的更加容易生长,更加符合本文的实际情况。n为时间常数时效温度为120,n小于1时,IMC层受到反应速率控制;时效温度为180,n接近2时,IMC层生长受到界面扩散所控制;时效温度为150时,n在1和2之间,IMC层生长受到反应速率和界面扩散共同控制。综上所述,超重力环境下高温时效中,温度对微焊点的破坏性为首要因素,大大的增加内外圈IMC层的厚度并且降低了抗拉强度,最终使得裂纹出现,力学性能大大降低。孔洞的弥散分布以及大量的微裂纹使得界面断裂之后抗拉强度也急剧降低。关键词 超重力;高温时效;IMC生长动力学;界面层厚度;抗拉强度AbstractAt present, due to the limitations of science and technology and the limitation of experimental costs, peoples reliability tests for micro solder joints of electronic components are generally focused on the normal gravity environment of the earth. In the near future, humans will inevitably develop each other in space. Activity. Simulating a hypergravity field test environment that is greater than the Earths gravitational acceleration will undoubtedly play an important role in guiding the future reliable operation of electronic products or components in space and other environments with a high-gravity environment.This project develops a simple space hypergravity environment simulation device that realizes a hypergravity field test environment that is greater than the earths gravitational acceleration in the ground conditions, evaluates the reliability of electronic product micro-solder joints in a hypergravity environment, and satisfies future in the outer space hypergravity. Safety requirements for use in harsh environments. In this study, Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.06/Cu solder joints were used as the research object, and different aging temperatures (120C, 150C, 180C) and different aging cycles (0h, 12h, 24h, 48h, 72h) were designed. 96h) The effect on micro solder joint reliability. The effect of different aging temperature and aging time on the tensile strength, microstructure and interface morphology of micro-welding sites under high-gravity environment was studied, and the diffusion phenomenon of the interface IMC layer was analyzed, and the diffusion coefficients at different aging times were calculated. The primary phase of the compound grows and the affinity equation between the elements is established.Through the analysis of the experimental phenomena and data, this project can see that under the same ageing temperature in space hypergravity environment, as the aging time prolongs, the thickness of the inner IMC layer and the thickness of the outer IMC layer will increase and the interface morphology will increase. Needle-shaped to fan-shaped to the last discontinuous layer. The aging temperature was 120C, 150C, and 180C, respectively, and the thickness of the inner IMC layer increased by 3.66%, 35.4%, and 77.6%, respectively, after aging for 12 hours. With the aging temperature being high, the growth of the inner IMC layer drastically changed. At the same time, the growth of the lateral interface grows from slow to rapid, indicating that the effect of temperature on the aging of micro-joints in a high-gravity environment is extremely destructive.The tensile strength gradually decreases with the increase of the thickness of the interface layer. When the thickness increases to a certain extent, the strength of the interface layer is very low. From 120C to 150C to 180C, the tensile strength decreased by 102Mpa (decreased by 11.1%), 100.53Mpa (12.3%), and 70.65Mpa (38.4%) after aging for 12 hours, respectively. The decreasing trend of tensile strength gradually eased. The most intuitive phenomenon is that the inner IMC layer is most easily broken and directly affects the tensile strength value.The thickness of the inner IMC layer is thicker and the thickness of the outer IMC layer is thinner. The activation energy obtained from the empirical formula is not suitable for the actual situation (the thicker activation energy at the inner side should be smaller than the outer side), and is corrected by the coefficient and obtained by the power law. The Q-medial value of the activation energy () is smaller than the Q-outer (), so the inner media is easier to grow, which is more consistent with the actual situation in this article.In summary, in the high-temperature aging under high-gravity environment, the destructiveness of the temperature to the micro solder joints is the primary factor, which greatly increases the thickness of the IMC layer in the inner and outer rings and reduces the tensile strength, eventually causing cracks and mechanical properties to be greatly reduced. The dispersed distribution of pores and a large number of microcracks lead to a sharp decrease in the tensile strength after fracture of the interface. The dimples in this case diverge to disappear.Key words hypergravity high temperature aging IMC growth kinetics interface layer thickness tensile strength目 录摘要IAbstractIII1绪论11.1课题背景11.2 复合钎料11.2.1常用的无铅钎料21.2.2 Sn3.0Ag0.5Cu-XSm钎料31.3课题研究意义和主要研究内容31.4课题研究方法及路线42.模拟超重力环境下设计装置52.1空间超重力环境模拟装置的软件设计和制作52.1.2空间超重力环境模拟装置的软件设计52.1.3空间超重力环境模拟装置的制作62.2实验方案72.2.1实验材料的制备72.2.2加热装置102.3实验步骤102.3.1Sn3.0Ag0.5Cu-0.06Sm对接接头的焊接102.3.2电火花切割试样112.4超重力环境下高温时效试验122.4.1超重力装置122.4.2实验步骤122.5冷镶试样132.5.1镶样142.5.2金相处理142.6力学性能拉伸试验152.6.1微拉伸测试仪152.6.2实验步骤163.实验结果分析173.1 超重力环境下等温时效对微焊点拉伸性能、组织形貌、界面结构的影响173.1.1超重力环境下等温时效对微焊点组织形貌、界面结构的影响173.1.2超重力环境下高温时效对微焊点拉伸性能的影响263.2超重力环境下时效温度对微焊点拉伸性能、组织形貌、界面结构的影响273.2.1超重力环境下时效温度对微焊点组织形貌、界面结构的影响283.2.2超重力环境下时效温度对微焊点拉伸性能的影响313.3超重力下不同时效时间,各时效温度下,内外围微焊点IMC层增长情况324超重力环境下高温时效中界面IMC层和微焊点内部组织变化研究34结论36致谢37参考文献38391绪论1.1课题背景 超重力一般定义为比在地球上的重力加速度大得多的情况下受到的力。各个领域的科学家在地球上的重力情况下对磁场、高真空、热场等做了大量的研究和探索,但是空间超重力作为一个苛刻的物理环境,也成为了材料科学等领域的研究新天地。在地球上,无论是何种物质,都会受到重力的影响,但是对于人类探索地球以外的领域,将需要考虑到地球上的生物和物质的生活,能否适应微重力或者超重力环境,甚至是如何能更好的适应微重力或超重力环境。 目前,由于科学技术的限制和试验成本的限制,人们对于电子组件微焊点的可靠性试验一般都集中于在地球正常重力的环境下进行,即正常的加速度被定义为9.8m/s,而人类探索太空的进程不断加快,不远的将来,人类必然会在太空中开展各项活动。由于重力加速度的大小会对电子组件微焊点在使用过程中产生相应的影响,又由于在目前公开的文献中未见诸相应的技术启示和试验报道,而适用于外太空的太空飞行器和各类电子装置又离不开大量高可靠性的电子组件,因而探索超重力环境下的电子组件微焊点的可靠性(包括试验装置)具有着眼未来的前瞻性的积极意义。而目前在地球表面获得模拟其它星球即小于9.8m/s的重力加速度的试验环境客观上较为困难,只有在部分电梯和太空飞行器中探索,因而模拟实际条件十分有限且成本昂贵1。由此可知,模拟大于地球重力加速度的超重力场试验环境对于指导未来在太空乃至其它具有超重力环境的星球之类的环境下可靠运行的电子产品或组件无疑具有十分重要的作用。国内外目前很少有人模拟超重力场条件下做钎焊类的实验,并且对Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-XSm/Cu微焊点的综合性能的研究。基于以上原因,本课题采用钎焊新技术电子封装微焊点的钎焊研究,制备Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-XSm/Cu无铅复合钎料,并通过设计和制作超重力装置,模拟并且研究空间超重力场条件下离心力、加热温度、时效周期三种因素共同对无铅微焊点的力学性能的作用,还有对显微组织和界面化合物的影响,并对其结果和规律进行相关的探讨,深入了解和掌握空间超重力场条件下的显微组织和界面化合物的演变机制,研究探索出一整套数据和规律以及在规律中的微观原理来支撑钎焊微焊点的理论,目的是为了使电子器件能够在超重力环境下克服恶劣地环境。另外,在上述研究的基础上,也是对该方向的前景给予了一定的期待与鼓励。1.2 复合钎料1.2.1常用的无铅钎料伴随着电子行业的发展以及人们生活水平的提高,人们对环境的保护意识也在不断的提高。第一代钎料Sn-PB系钎料合金,应用在企业做钎焊有关的工序中,人们开始提出替换有害元素PB的想法,并且在随后的一段时间内研究出一系列将合金作为替换PB的无铅钎料,如Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag-Cu-Zn系等各种各样的二元系、三元系、多元系复合钎料2。相比于Sn-PB系钎料,上述的钎料具有更加优异的性能。其中最具吸引力的性能包括较低的熔点、较高的抗拉强度、优良的蠕变性能。其中,Sn-Ag系复合钎料是最早研发的,但是在实际生产应用中,银的价格昂贵并且熔点相对较高,因此Sn-Ag系复合钎料在代替Sn-PB系钎料研发无铅钎料的时代,重新被人们重视,其中微焊点中含有Ag3Sn和-Sn,并且Ag3Sn能够均匀分布,有利于提高复合钎料的各种物理性能与力学性能。Sn-Cu系钎料合金中,由于Cu价格相对Ag价格较低并且储存量比Ag丰富,能够大大降低生产复合钎料的成本,满足企业生产的要求,Sn-Cu系复合钎料的熔点比Sn-Ag钎料合金的熔点高44,微焊点中含有Sn、Ag、Cu、Sm中单相形成的同素异构体以及SAC305中各相组成的共晶化合物,稳定性比Ag3Sn较低,均容易在高温下长成粗大组织,有助于降低微焊点的物理与力学性能。Sn-Zn钎料合金中,Zn的价格较低与储量较丰富,便于企业推广使用,但是其缺点Zn易氧化,不容忽视,应该研究防止氧化与利用保护气体并且添加稀土元素。其中微焊点中含有Sn-9Zn,熔点与二元系的熔点相比较都较低,可以使用与Sn-Pb系合金相同的焊接工艺与焊接方法3。Sn-Bi系钎料合金中,红白色的金属元素Bi加入钎料后可以迅速减小熔点至138,Bi能够提高复合钎料的多种物理性能、力学性能以及化学性能,但是其缺点也不容忽视,例如Bi的脆硬性,导电性、导热性均不理想,因此需要研究能够改善其性能的方法,使其得到广泛使用,例如加入稀土元素。Sn-Ag-Ni系复合钎料成本较低,其中Ni元素的抗氧化性优异,并且可以提高钎料合金的材料的物理性能和力学性能。目前,Sn-Ag-Ni系复合钎料 已经受到企业的广泛推广4。截至目前,对无铅钎料的研究人们越来越投入,但是一直困扰人们的是Sn-PB系钎料的理想替代物尚未研究出来,人们追求的优良的性能包括熔点温度较低、润湿性能较好、耐摔性较强、导电性优异、导热性优异、无毒性、力学性能较强尤其是拉伸性能好以及成本预算较低。对于无铅钎料的要求有:复合钎料熔点较低,为了电子元件不容易受热而时效使得连接性能失效;钎料合金的润湿性较良好和焊接性能优异,润湿性好使得金属或者非金属连接时,减少焊接缺陷和提高生产效率;复合钎料的物理、化学、力学性能优异,提高焊点的连接的可靠性以及延长在实验或者生产服役中的微焊点使用寿命;复合钎料的化学性能优良,使得在服役过程中应对恶劣的环境能够保持良好的耐腐蚀性能和耐高温以及热稳定性能;复合钎料不含有毒成分,防止再破坏环境和生态造成严重后果,保护和谐的地球生物与生态环境;复合钎料的成本应该低廉,以便于其在各行各业的推广使用,促进经济的良性发展。因此电子产业尤其是电子封装方向针对绿色无铅钎料的研究开发与生产利用提出了新的方案与愿景。1.2.2 Sn3.0Ag0.5Cu-XSm钎料Sn-Ag-Cu系列钎料是目前能够代替Sn-PB系钎料的最具优势的复合钎料,而且在企业生产中使用最广泛。但是单纯的Sn-Ag-Cu系钎料的耐高温性能、耐摔性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能比较差,所以在钎料内添加一种或者多种稀土元素来改善其性能,使得钎料合金的各方面综合性能得到改善5。Sn-Ag-Cu系复合钎料是Sn-Ag系合金中添加适量金属Cu元素。采取此方法的目的是其可以提高复合钎料的力学性能尤其是抗拉强度并且能够显著地降低熔点,其中被大部分赞成的首选配比是Sn:Ag:Cu含量比为1:0.3:0.05。不断有研究者对Sn-Ag-Cu系复合钎料 研究进一步优化,其中加入微量元素,例如稀土元素、In元素、NI元素、Ga元素等6,尤其是稀土元素,从而能够研制出具有更好综合性能的钎料合金代替传统的Sn-PB系复合钎料。据研究报告,添加稀土元素钐(Sm)可以降低熔点。随着稀土元素钐(Sm)含量增加,复合钎料的熔点会先降低然后升高,且含量为0.1%时达到最小值。同其他稀土元素的活性一样,添加稀土元素钐(Sm)会弥散沉积在复合钎料的表面,表面张力得到减小,润湿性得到改良和焊接时的可靠度得到提高。添加稀土元素(Sm)可以改变界面化合物的生长速率以及界面化合物及其内部化合物的形貌。当钐含量约为占比为0.05% - 0.06%时,界面IMC的厚度尺寸较为均匀,随着添加的Sm的含量增加,厚度尺寸先增后减。添加稀土元素Sm能够改善其剪切强度并且其断口为韧窝状,含量约为0.05 - 0.06%的Sm时,抗拉强度达到最大值并且其断口韧窝分布更加匀7。1.3课题研究意义和主要研究内容本课题设计制造一种空间超重力环境电子组件微焊点可靠性试验装置,并模拟空间超重力环境下Cu/SAC3050.06Sm/Cu微焊点做高温时效试验,研究在超重力环境下温度和时间对微焊点的破坏性能,为微焊点在空间超重力环境下的可靠性研究方面提供理论依据和技术支撑。具体方案:1.通过三维软件设计超重力装置的二维图纸和三维模型。2.采购电动机、电机、倒板开关、交流接触器、鼓风机、隔板、门锁、控制仪表、不锈钢加热管、导线等部件。3.按照设计的图纸将购买到的零件进行组装,接通各路电路,向实验所需参数靠近,不断改进装置的综合性能。4.根据试验参数进行装置的优化设计,且必须做好安全保护工作,最终将实验装置的性能控制在稳定状态,保证后续实验操作的稳定性。5.采用钎焊的对接工艺制备Cu/Sn3.0Ag0.5CuSm/Cu微焊点。6.模拟空间超重力,探究高温时效对电子器件微焊点性能影响试验。本课题主要从以下四个方面对微焊点可靠性试验进行研究:(1)研究超重力环境对微焊点拉伸性能的影响。(2)研究超重力环境下时效温度对微焊点拉伸性能的影响。(3)研究超重力环境下时效周期对微焊点拉伸性能的影响。(4)研究超重力对微焊点高温时效后的组织结构、界面生长形态的影响。1.4课题研究方法及路线1.通过查阅空间超重力环境以及离心力的相关文献资料,研究设计超重力装置和设计方案,设计超重力装置图纸和模型。2.购买相关达标的仪器或者零部件并且组装成超重力场试验装置。3.通过查阅资料了解超重力场和高温蠕变的相关知识,掌握超重力场和高温蠕变实验测定方法,熟悉空间超重力场和高温蠕变基本理论,模拟空间超重力场条件,并通过试验以及实验数据,比较空间超重力环境下Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu无铅钎料合金对接铜板微焊点内圈和外圈的蠕变行为及界面组织演变规律。4购买实验所用的无铅钎料合金焊膏、紫铜片、各种试剂,并采用钎焊技术对接铜板制成微焊点对接板。5.用苏州宝马生产的线切割机加工实验所需的蠕变剪切试样以及棒状试样来测量拉伸性能以及切割超重力实验所需的固定风扇六叶风扇。6.对加工好的试样进行刻画线,然后装配在空间超重力时效装置上进行不同超重力环境下高温时效的破坏实验。7.研究在超重力场条件下,不同时效时间与时效温度对钎料显微组织、界面化合物的演变规律的影响。8.通过光学显微镜和扫描电子显微镜观察显微组织和界面化合物并拍照保存留作对比实验参数。2.模拟超重力环境下设计装置2.1空间超重力环境模拟装置的软件设计和制作2.1.1实验装置原理利用离心力来模拟空间超重力空间重力场对组织的影响主要是是的晶粒变大和偏析情况。其中空间重力场相比于地球重力场较大,可以分为两类,微重力场和超重力场。本课题研究的是模拟超重力环境下高温时效不同时间后对微焊点的综合性能以及界面化合物以及显微组织的影响。晶体生长情况受到超重力影响,超重力场下,对流情况导致溶质原子容易扩散。例如当超重力达到一定水平时候,发现存在于In-Sb系钎料合金的化合物形态及其生长会被影响并阻止。又如在超重力场下Pb-50Sn合金的定向生长,其中一次枝晶间距会随力的变大而逐渐减小8。再如在超重力下Cu98.4Cr1.6合金中生长的棒状共晶组织会有明显细化,直径大大减小,而其半径方向的硬度和成分保持不变,少有出现宏观偏析9。2.1.2空间超重力环境模拟装置的软件设计首先打开Solid Works2015,建立一个新建文档,建立一个拉伸基体-草绘底面-拉伸-抽壳。绘出局部零件图,装配。确定相对位置,不断重复步骤,保存组装文件。按照由表及里,由简单到复杂,相互之间不能有约束命令的冲突,否则会使得零件组装失败。其中风机、温度显示器、电源开关、六叶风扇几个核心部件在下图中表现出来,核心部件为转速1200-1400转/分钟的六叶风扇,风扇带动发热管的热流运动,使得加热均匀,然后使得冷气流输入和热气流输出的叠加作用,使得显示器测得的舱内温度保持动态平衡。图2-1 自制空间超重力环境模拟装置装配图图2-2 自制空间超重力环境模拟装置三视图2.1.3空间超重力环境模拟装置的制作按照设计的图纸购买零部件:风扇发动机(功率为10w)、防锈冷轧钢板和不锈钢内胆、大屏液晶显示器、电机、交流接触器、鼓风机、隔板、控制仪表、温度控制器、箱门、风机开关、不锈钢加热管等部件。通过CAD设计电路图纸以及按照实际参数接通电路图。加装好实验装置后,不断进行改善实验装置并达到实验所要求的实验参数,且做好装置的安全定型工作。1.本次使用的电机是深圳市恒泰电热器材有限公司生产的YPY-15-2P电机,主要适用于培养箱、烤箱、恒温干燥箱、烘箱中使用,具有绝缘且耐高温和小功率精度高等有点。其技术参数如下:(1)电压:220V;(2)功率10W;(3)频率50 - 60HZ;(4)转速1200 - 1400RPM;(5)风叶直径65 - 120CFM;(6)风压:MAX 450Pa;(7)轴长:46mm。YPY-15-2P电机中使用的马达为高温马达,采用特种轴承润滑脂,优点如下:噪音较低、振动幅度较小;采用熔点较高的材料,性能衰弱速率降低,且不容易在工作中受高温严重影响。马达机身的工作环境处于80以下,风轮的工作环境温度的最高值为300。2. 本次实验使用的加热装置是韩国生产的3D碳纤维加热管,如图所示,该加热管为耐高温的阻燃硅胶线、耐高温白陶瓷、钨钼合金电极、石英基材防水防爆、三菱碳丝。远红外性能优越、使用寿命长、耐酸性、耐腐蚀性强、碳纤维本身避免电磁场的产生、电气性能稳定、热效率高等特性。3. 本试验使用的温度控制器是深圳恒泰电热器材有限公司生产的PEAKS牌温控器,型号为PCE-E60K2型。技术参数如下:(1)外型尺寸:68mm*72mm(开孔尺寸:64mm*67mm);(2)传感器类型:K型;(3)温度设定范围:0.0 - 1200。(4) 时间设定范围:0 - 9999min;(5)温度测量值基本误差:0.3%;(6)计时误差:1%;(7)报警方式:偏差报警。温度控制器有如下几个特点:(1)仪表自整定后自动得到一组控温效果最佳的系统PID参数;(2)与传统的PID控制方式相比,具有更小的温度超调、更快的稳定时间、更好的控温精度等优点;(3)有温度传感器误差修正功能,能过两点曲线修正,使温度测量更加精确。在设计好的高温装置中进行装置的测试工作,当达到实验的参数要求时,设计制作六叶风扇叶片,并且固定在风机的叶片上,利用螺丝螺母固定在风机的轴上,加装试样并用螺丝螺母垫片固定,利用离心力来使得高速旋转下,对微焊点进行性能破坏检验试验。2.2实验方案2.2.1实验材料的制备如图2-1、2-2为对接接头试样,两边为铜基板,中间为成分Sn3.0Ag0.5Cu的钎料焊膏,在钎料基体内加入含量为0.06%的Sm。 图2-3钎焊对接试样示意图和钎焊对接试样俯视图图2-4 电脑控制器及机械操作台 图2-5绘制切割路线和切割图首先用线切割机对厚度为1mm的铜板加工成50*12.5mm的矩形铜板,然后使用规定的砂纸进行对铜板初级清理表面的工序,接着放入丙酮烧杯中,利用超声波清洗机进行终极清理杂质(如图2-7所示,加热温度为27、清洗时间为20min、功率设定为90%)。最后将铜板放置在无水乙醇烧杯中震荡清洗1min,去除表面的丙酮,最后用1000W的电吹风机加速表面无水乙醇的挥发。加装在加热夹具上,材料长*宽*高为260*60*10mm的七系铝合金板。铝合金自制模具夹具,选用七系铝合金是因为合金导热性优异且重量较低。夹具如图2-8所示。 图2-6切割试样 图2-7超声波清洗机 图2-8七系铝合金夹具图 图2-9七系铝合金加热夹具组装图(1) Sn3.0Ag0.5Cu-0.06Sm钎料SAC305系无铅钎料的接头力学性能优异,熔点低等优点,同时其耐摔性、抗疲劳性等钎料性能较差。通过添加稀土Sm能够改善其物理与力学性能以及化学性能,最佳含量为0.06%的Sm。(2)钐粉稀土Sm在SAC305中不会以固溶体的形式存在,主要是形成圆形形状,并且聚集或者弥散在界面上。钐的弥散分布使得表面张力变小继而使得微焊点有良好的润湿性。加入过量的钐会形成氧化渣,反而增加复合钎料的表面张力继而大大降低润湿性能。因此掺入0.06%的Sm是适合的含量,大大改善钎料的润湿性,提高连接的稳定性。 图2-10 稀土钐图片 图2-11钐的扫描电子显微镜图片2.2.2加热装置焊接使用的加热装置是威迅达LED加热台,如图2-12所示。 图2-12威迅达LED智能加热台 图2-13加热时的工作状态图表2-1 加热台技术参数加热台功率900W面积300*200mm材料陶瓷加热体温度感应器K型热电偶重量3.0KG测试温度的范围5-350环境温度5-502.3实验步骤 本次实验所指的空间超重力环境下具体是在超重力和高温下,利用飞速旋转的七系铝合金风扇叶片,带动固定在风扇叶片上的对接试样,使得对接试样的轴线垂直方向,受到方向指向圆心外侧的离心力,试样因此在高温下受到离心力的疲劳破坏。研究疲劳破坏主要是为了模拟并分析机械零件在恶劣的环境下,达到使用要求时,所能达到的最长的服役周期。如图2-18所示,利用直径为3mm螺丝和相对应的螺母,将六组对接试样固定在风扇叶片上。焊缝离风扇圆心的半径为4.3cm,六叶风扇的线速度为1200-1400转/分钟,打开加热装置,将第一个实验温度设置成120,温度梯度设计成+30,分为三组实效温度,根据不同温度所需材料进行制备以及在不同温度下试验做实验准备。2.3.1Sn3.0Ag0.5Cu-0.06Sm对接接头的焊接(1)按照指定的步骤,利用电子精密天平称量SAC305复合钎料19.988g,放入研钵中并加以覆盖,冲入氩气,防止其氧化。然后再称量0.012g钐粉,倒入复合焊膏中。用玻璃棒充分搅拌大约20分钟,均匀配制Sn3.0Ag0.5Cu-0.06Sm复合钎料。(2)将上下铝合金夹具预先加装好,在夹具中间加装上两块对接试样并用螺丝预紧,用(尺)划线,使得两块清洗好铜板之间的距离保证在0.01mm,控制间距以准确测得抗拉强度的值,以及改变抗拉强度的因素。然后再次拧紧螺丝使得铜片固定在模具之间,防止其在对接焊接过程中被钎料挤压错动位置,使得实验存在误差,重复实验步骤时,将高温铝合金夹具放入水池中,用流动的水流带走热量,注意一定要将冲洗后的夹具用干抹布擦拭干净,防止含有水滴在上面,使得钎焊中水蒸发,阻碍钎料的正常运动,严重影响钎焊结果。(3)用纤细的铜棒尖头刮起少许复合焊膏,均匀涂抹在焊缝之间,尽量使得钎料渗透到缝中,使得实验得到的焊接接头数据精确。(4)打开加热台的电源开关,设定加热理想温度300,由于热量的损失,实际平台上的温度为270,置加装好的模具于加热台中心,使其受热均匀。在其加热过程中,留意观察其钎料的变化过程,当钎料合金完全溶化开始收缩凝固且颜色为银色时,带上耐热手套平稳取下模具,然后空冷至室温。(5)等钎料合金完全凝固和夹具完全冷透时,拆卸模具并取下铜板,用无锡牌砂纸将多余钎料打磨掉,并且用钎剂清洗剂清洗附在表面的钎剂,为后面的试验做好准备。图2-14电子精密天平 图2-15焊膏和钐粉末混合2.3.2电火花切割试样本实验采用苏州宝玛生产的电火花线切割机,型号为BMW-3000。切割线有钼丝制成,通以电流将金属材质切割开来。(1)将准备切割试样用夹具固定一边并留有一定的余量使得焊缝垂直于钼丝和工作台边沿,除去切割掉的材料,需要余量大于0.2mm的料,保护加装工作台免受钼丝切割。对刀,使得钼丝对准要切割掉的材料边沿,选择恰当的入刀位置。(2)打开电脑控制器上的图纸设计软件Auto-CAD2018,绘制切割图样,点击生成加工轨迹,按照步骤确定切割轨迹,点击发送加工任务。(3)点击操作系统,冲水-运丝-高频,开始对金属进行切割,得到所需的试样形状。操作结束后,点击暂停加工、运丝-冲水-高频。沿着XY轴方向摇动手摇,然后取下所需棒状和块状试样以及残余废料,线切割加工结束,整理仪器。2.4超重力环境下高温时效试验超重力环境下,对于地球上的每种生物或者人体细胞是一种特别的环境,目前人类越来越对外太空探索,因此假象一个超重力环境下工作,对于材料相关的以及成型的设备的模拟是非常重要的。2.4.1超重力装置本试验使用的仪器是自制的超重力装置,模拟空间超重力环境,配备有功率为10W耐高温电机的风扇,转速为1300转/min。加热管功率为500W,加热舱内气流,加热管为圆环,材料为不锈钢材质。温度显示器测量舱内温度,并且可以随着温度变化,加热管改变发热功率,使得舱内温度保持动态平衡。 2.4.2实验步骤如图2-16所示,将尺寸为100mm*100mm的铝合金,放在线切割机上,重复切割机的步骤,切割出如图所示的六叶风扇,再利用钻台进行钻冲。先后安装直径为3mm和12mm的钻头,锁紧然后开启钻机,保持较低的转速和较大的压力进行钻孔。最后通过锉刀对所凿孔洞留下的废料进行抛光。将六叶风扇装在同轴的风机轴上用反牙螺母进行预紧并用螺母紧固。关上舱门,打开电机开关和加热器开关对其进行高温加热和高速离心运转,并且用温度控制器对其温度进行监测。参照以往实验数据,将时效温度预设为120、150和180,时效时间为0h、12h、24h、48h、72h、96h。将对接的长、宽、高为50mm、26mm、1mm的铜板均等的切割成3块15*26*1mm的试样。在超重力环境下高温时效之后,每个时间点取出一块,做好标记装入封装带密封,再放入同一种试样,六叶风扇旋转时保持受力平衡。 图2-16 七系铝合金 图2-17 台钻 图2-18切割好的七系铝合金 图2-19 安装试样示意图图2-20高速旋转的铝合金板及试样2.5冷镶试样为了分析实验变化过程需要观察组织生长情况,所以对所得实验试样进行镶样处理,便于在仪器中进行观察以及记录分析操作过程的展开。2.5.1镶样操作步骤:利用线切割机将超重力环境下高温时效后的试样进行切割成5mm*5mm的小方块形状。用镊子夹取置于冷镶模底部中心位置,便于后期进行金相试样表面处理。搅拌一定比例的冷镶液和冷镶粉,并加入少许几滴加速凝固剂直至呈较粘稠状,迅速用木棒引流缓慢浇灌到模具中,待其冷却凝固后,取出试样,贴好标签放入密封袋和干燥皿中,便于后期的金相处理。2.5.2金相处理由于表面杂质较多,需要处理之后进行金相观察。将镶嵌好的试样,分别用指定的砂纸进行初步打磨处理,每换一种型号砂纸,就旋转90继续打磨,直至1200#砂纸将表面的划痕处理成同一方向且粗细较小,达到抛光处理的要求。高级磨抛光仪器如图所示,依次辅用9#、3#悬浮液,握紧试样沿着抛光盘任意一个半径方向做反复抛光。将无明显划痕的金相试样进行腐蚀,腐蚀液为(4 %的硝酸酒精)。在腐蚀前用无水乙醇进行清除杂质并用1000W功率的电吹风机吹干,腐蚀7 S后先用清水冲洗再用无水乙醇清除多余的腐蚀液,防止腐蚀液继续腐蚀表面,影响实验效果。上述步骤结束即可使用光学显微镜观察试样。观察合格的镶嵌试样,用棉花包裹和保存于密封袋,并置于干燥皿中,防止氧化和磨损。 图2-21 LAP-1X高级磨抛光机及抛光液表2-2磨抛光机技术参数工作盘直径255mm带磁性盘转速100-1000转/分钟无极调速输入电压安全电压45-70HZ电动机功率650W外形尺寸长、宽、高710x 760 x 330mm2.6力学性能拉伸试验本实验的目的是对试样进行破坏实验后,对其接头微焊点处的抗拉强度进行测算以及是否满足实验预估的使用要求。其中抗拉强度为单位截面积上的所能承受的最大载荷力。通过每组的多个试样参数取平均值的方法,得到一个较准确的数值。2.6.1微拉伸测试仪本实验使用的测试仪器为日本株式会社力世科RHESCA/PTR1102结合强度测试仪,如图所示,具体仪器参数见表。 图2-22 微拉伸测试仪表2-3微拉伸测试仪技术参数参数单位技术指标Model(型号)PTR1102Serial No(编号)TC61018Voltage Range(电压范围)VAC100-240Power(功率)VA300Frequency(频率)Hz50/60Speed(拉伸速度)mm/S0.1Temperature(温度)摄氏温度0-302.6.2实验步骤将实验所得到的试样进行线切割26mm * 1mm * 1mm的棒状试样,每组切4根相同棒状。室温下,将切割好的棒状先固定在上夹头,调整上下夹头距离,将下部夹头夹紧棒状下部。设置拉伸速率成0.1 mm/sec,点击开始拉伸实验,并将实验数据记录在表格中且每一组分别取4根试样求数值的平均值。图2-23拉伸试样示意图3.实验结果分析3.1 超重力环境下等温时效对微焊点拉伸性能、组织形貌、界面结构的影响对于一般的研究钎料的力学性能来测试微焊点的可靠性,但是研究焊点的力学性能更加能切合实际服役情况,能够模拟恶劣环境测试钎焊技术和材料指标。微焊点在工作中,在高温下不断发热发烫,时效时间越长IMC层生长越大,在超重力环境下,受离心力的作用,通过多种苛刻的条件,使得微焊点内部组织以及形貌发生改变,从而改变其力学性能。本试验是测量力学性能中的拉伸性能,微焊点在模拟不同的情况下的服役过程中,拉伸性能越好,其服役周期越长,所得到的结论就是微焊点的性能越优异。对于拉伸性能的测量标准,最为常用的就是通过测量其抗拉强度,来直观的表达其拉伸性能。材料的拉伸性能越优异,可以测量出此焊点的耐恶劣环境的能力。本次实验按照计算公式:=F/A,通过计算钎焊焊点被拉断时的最大拉力F以及试样的截断面积A来计算抗拉强度。因此本文研究时效温度为180、150、120;模拟的超重力环境下离心力为80N;时效周期为0h、12h、24h、48h、72h、96h。每组做四根棒状试样测量其抗拉强度,并取其平均值,减少误差,进而研究在SAC305中添加微量稀土钐对空间超重力高温时效的微焊点的力学性能的影响。研究拉伸性能强度之外,必须和实际的显微组织和组织形貌的观察相对应,以便于发现三者之间的联系。制备金相,经过指定砂纸粗细磨并进行抛光,使其表面无划痕或者划痕少许。利用扫描电子显微镜和能谱仪对其进行表面组织观察。3.1.1超重力环境下等温时效对微焊点组织形貌、界面结构的影响 (0h) (12h) (24h) (48h) (72h) (96h)图3-1微焊点在超重力环境下150时效的界面IMC内外侧形貌空间超重力环境下150等温时效中,图3-1为Cu/SAC305-xSm/Cu微焊点的界面形貌如图所示时效时间分别为(a)0h、(b)12h、(c)24h、(d)48h、(e)72h和(f)96h,每组温度分为上下两个图,上图表示为外侧IMC层,下图表示为内侧IMC层。不同时效周期下的界面化合物层的厚度统计结果如图所示,厚度测量数据见表。表3-1内外侧IMC层厚度统计时效时间(h)内侧IMC层厚度值(m)外侧IMC层厚度值(m)01.641.61122.222.18242.352.40482.832.73723.013.00963.503.28 (A) (B)(C) (D)图3-2微焊点超重力15072h后IMC层内圈能谱分析对IMC层内圈前后进行能谱分析,从钎料向铜基板扫描,测量A、B、C三个点的元素,如图所示。图中钎料中的A点处的Ag元素原子百分比19.16at%,Sn元素原子百分比为80.84at%,Ag和Sn两种元素的比例大约为1:4.2,根据所查得的资料数据,由此推测出是Ag3Sn相。此处距离IMC层较远且多为Sn基钎料,所以Sn成分比例较多,形成较少的Ag3Sn。Cu和Sn的原子百分比大约为52.82:47.18=6:5,推测出此处的IMC层相是Cu6Sn5相10。C处的Cu元素原子百分比为87.91at%,Sn元素原子百分比为12.09at%。此处的Cu含量较高,相比与B处的Cu含量非常多,从宏观来看此处距离Cu基板很近,大量的Cu元素将会渗入进来,形成Cu6Sn5,经过一段时效时间后,Cu和Sn将会发生反应生成Cu3Sn。D处的Ag元素原子百分比为24.96at%,而Sn元素原子百分比为75.04at%。Ag和Sn两种元素原子百分比约等于1:3,刚好可以推测是Ag3Sn,相比于A点处,这里的两种元素比更为接近12。 图3-3线扫描图像与面扫描图像SAC305-0.06Sm复合钎料和Cu基板在超重力环境下高温时效过程中,界面附近的反应属于扩散机制,如3-3图所示。因为微焊点中以及和IMC层中的元素浓度都有差异即存在浓度梯度分布差异,在高温和离心力作用下,大大促进元素的扩散反应。在Cu6Sn5与钎料界面处的Cu含量达到一定含量(55%)时,将发生6Cu+5SnCu6Sn5,Cu6Sn5合物以各种形态不断向钎料基体生长;而达到75%时,则反应将会按照方程转变:Cu6Sn5+9CuCu3Sn,Cu3Sn界面层不断的向Cu6Sn5界面层生长13。当两者同时在按照一定的速率加速生长时则宏观上表现为界面层变厚,如图所示。120时效IMC层内外圈厚 150时效IMC层内外圈厚度180时效IMC层内外圈厚度图3-4 不同温度下内外侧IMC层厚度增长图超重力环境下150在短时间(96h之内)时效之内,界面层内均为Cu6Sn5,如图所示。当时效周期延长时,Cu基板与界面层直接接触产生了新的化合物Cu3Sn薄层,如图所示;随着时效时间的进一步增加,Cu3Sn生长速度迅速增加。由图和图比较可得,两种温度下,分别不同时效时间后,两种靠内侧的微焊点的IMC层厚度均发生了变化,且沿着时效时间延长,平均厚度均先迅速增加再到缓慢增加。排出测量误差和计算误差,由图发现180超重力环境下可得在加入Sm之后,IMC层的厚度由1.61m增长点2.86m,相当于焊点界面化合物增长率为77.6%,但时效时间为24h时,IMC层的厚度增加到4.38m,增长率为52.1% ,焊点焊后增长率为170.2
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