電子微連接技術(shù)與材料

重慶理工大學杜長華陳方主編第6章微連接材料的性能與試驗方法6.1釬料的工藝性能 6.2釬料工藝性能的試驗方法6.3釬料和焊縫力學性能的試驗方法6.1釬料的工藝性能釬料的工藝性能將直接決定電子釬焊連接能否進行以及連接質(zhì)量的優(yōu)劣。6.1.1錫釬料在釬焊過程中的行為

電子釬焊，所用的釬料主要為錫基合金，制成錠、條、棒、絲、板、帶、箔、片、球、粉、膏等制品使用。無論采用哪一種釬焊方法和釬料制品，其共同之處都是采用在低于母材固相線溫度條件下將釬料熔化，讓液態(tài)釬料在母材的間隙中或表面上產(chǎn)生潤濕和毛細流動而填充間隙或鋪展，同時在液態(tài)釬料與固態(tài)母材的界面之間產(chǎn)生溶解、擴散以致生成中間金屬化合物（IMC），當熱源離開以后，液態(tài)釬料隨之冷卻、凝固而實現(xiàn)金屬鍵合。因此，在釬焊熱循環(huán)過程中釬料的行為主要表現(xiàn)為相態(tài)變化。但是，在釬料相變過程中發(fā)生著一系列界面物理化學反應，這些反應始于固態(tài)釬料的熔化，終于液態(tài)釬料的凝固。即釬料在釬焊過程中的行為分為熔化、界面反應、凝固結(jié)晶三個階段，其中最重要的是界面反應，它包括界面的潤濕，釬料的流動、填充、鋪展，固/液相之間的相互溶解、擴散等。綜上所述，釬焊過程中釬料的工藝性能除熔化和結(jié)晶過程以外，主要是指液態(tài)釬料的物理化學性質(zhì)。6.1.2釬料的工藝性能及影響因素釬料的工藝性能是指它在使用過程中表現(xiàn)出來的性能。依據(jù)釬料在釬焊過程中的行為，可將其及影響因素分析歸納總結(jié)如下：1.熔化/固化溫度熔化/固化溫度是釬料合金的固相線、液相線溫度以及二者之間的溫差。釬焊熱循環(huán)過程中，在加熱階段，固相線是釬料開始熔化的溫度，而液相線是熔化終了的溫度；

在冷卻階段，液相線是釬料凝固的開始溫度，而固相線是凝固終了溫度。在固、液相線之間釬料呈糊狀，固、液相線的溫差越小，其熔化或凝固的速度越快，越有利于釬焊操作。釬料的熔化/固化溫度是由合金組分決定的。釬料一般使用錫基合金，除形成低熔共晶的情形以外，當在錫中加入低熔點金屬組分時，其熔化溫度一般會下降，而加入高熔點金屬其熔化溫度一般會上升。合金的組成越接近共晶點，其熔化溫度越低，同時固、液相線的溫差也越??；當釬料組成達到共晶點時，熔化溫度最低，固、液相線溫差為零。2.液態(tài)釬料的抗氧化性能液態(tài)釬料的抗氧化性能是在一定溫度下，液態(tài)釬料抵抗氧化反應的能力。熔融釬料的氧化，不僅會造成嚴重的釬料浪費，而且氧化膜會阻礙釬料與母材表面原子間的結(jié)合，還會導致氧化膜進入焊縫，產(chǎn)生各種連接缺陷。3.液態(tài)釬料的潤濕性能液態(tài)釬料的潤濕性能是在一定溫度下，液態(tài)釬料對母材產(chǎn)生潤濕的快慢和潤濕力的大小。潤濕性能差，將導致釬焊困難，容易產(chǎn)生虛焊、假焊、脫焊，直接影響焊縫的力學性能和電氣性能，導致信號傳輸不暢，信息失真，靈敏度差，可靠性降低。4.液態(tài)釬料的漫流性液態(tài)釬料的漫流性是即一定溫度下液態(tài)釬料在母材表面流動和擴展的能力。液態(tài)釬料的漫流性與潤濕性既有密切聯(lián)系，又有顯著區(qū)別。嚴格地講，漫流性是液態(tài)釬料在母材表面的潤濕性和流動性的綜合表現(xiàn)。綜上所述，我們認為，釬料在釬焊過程中的行為就是它的工藝性能，主要包括：釬料合金的固相線、液相線、抗氧化性、潤濕性和漫流性等。影響釬料工藝性能的因素包括合金的組成、純度和化學均勻性，母材的成分、性質(zhì)和表面的潔凈度，液態(tài)釬料的表面張力，釬焊溫度、氣氛、助焊劑的活性，液態(tài)釬料表面膜的組成、結(jié)構(gòu)和性能等。6.2釬料工藝性能的試驗方法6.2.1熔化溫度的測定

1.測量裝置

熔化溫度的測量采用差熱分析儀，簡稱DTA。差熱分析儀的升溫速度應可調(diào)且控溫精度應不低于0.5℃。

2.測量步驟

（1）將10mg待測釬料試樣放入差熱分析儀的樣品室中，以每分鐘25ml的流量給樣品室充入氮氣，并以每分鐘10℃的初始升溫速率對試樣升溫。（2）當溫度升至與待測釬料固相線溫度相差約30℃時，將升溫速度降低至每分鐘2℃，并記錄溫度曲線。（3）根據(jù)記錄的DTA曲線，確定熔化開始溫度和熔化結(jié)束溫度。3.曲線分析

右圖是典型的共晶釬料熔化溫度測量所記錄的溫度—熱效應曲線。其曲線低溫側(cè)基線的延長線與熔化吸熱峰低溫側(cè)切線的延長線之交點T1為熔化開始溫度。一般認為，其吸熱峰之T2對應的溫度即為熔化結(jié)束溫度。但嚴格講，這只是釬料共晶成分部分熔化終止的溫度，釬料合金的液相線溫度應比T2點對應的溫度高。共晶釬料熔化的溫度—熱效應曲線6.2.2抗氧化性能試驗

1.靜態(tài)條件釬料氧化渣量的測試方法（1）稱取指定釬料產(chǎn)品6000g，置于清潔的不銹鋼坩堝內(nèi)，在電爐上加熱熔化（加熱最高溫度≤300℃），然后注入平面焊錫機的錫槽內(nèi)。（2）設定平面焊錫機的錫槽溫度，接通電源，直至錫槽溫度恒定時，用寬度與錫槽相匹配的專用不銹鋼刮渣器撇去表面浮渣，棄去。（3）啟動計時器，每隔60秒鐘用刮渣器撇渣一次，每5分鐘從錫槽表面取渣一次，持續(xù)60分鐘。實驗中應仔細記錄試驗現(xiàn)象。（4）用分析天平稱量渣重。（5）結(jié)果評價：以一定溫度下單位時間、單位面積產(chǎn)生的氧化渣量進行評價，即D=W1/t×S式中，D—表示釬料氧化渣的產(chǎn)率/g.min-1.cm-2W1—表示氧化渣重量/gt—表示試驗時間/minS—表示氧化面積/cm2從式中可以看出，在一定溫度下，單位時間、單位面積上氧化渣的產(chǎn)率D越大，釬料氧化就越嚴重，材料的浪費就越大，而且越容易出現(xiàn)釬焊缺陷。2.動態(tài)條件釬料氧化渣量的定量測試方法釬料動態(tài)條件氧化渣量定量評價，采用“SJ/T11319-2005錫釬料動態(tài)條件氧化渣量定量試驗方法”電子行業(yè)標準。該標準采用指定的專用小型波峰焊機模擬釬料實際使用時的動態(tài)條件，收集并計量在一定時間和溫度條件下焊槽中產(chǎn)生的氧化渣，以單位重量釬料的氧化渣量進行評價，即動態(tài)氧化渣產(chǎn)率：D=W1/W×100%式中，D—表示釬料氧化渣的產(chǎn)率/%；W1—表示氧化渣重量/g；W—表示裝入的釬料量/g。6.2.3可焊性試驗

在一定的溫度和時間內(nèi)，母材金屬表面被熔融釬料潤濕的效果或程度，稱為可焊性。可焊性是母材和釬料在規(guī)定條件下相互作用的度量，它與釬料、助焊劑、母材和測試的溫度、時間等條件有關(guān)。釬料和母材的化學成分、表面氧化程度、污染和清潔程度、表面的狀態(tài)、助焊劑的活性與清潔能力、測試設定的溫度和時間等，都會影響可焊性測試結(jié)果?？珊感詼y試有多種方法，如邊緣浸漬法、鉻鐵法、液面上升法、潤濕平衡法和焊球法等等。在這些方法中，一類是進行定性的評價，如邊緣浸漬法，雖然它以潤濕程度為依據(jù)，但不能獲得定量的數(shù)據(jù)。另一類是進行定量評價，如潤濕平衡法，它的優(yōu)點是建立了一種以數(shù)據(jù)為基礎的評定方法，但相對于前者它的設備投資較大，對操作人員的技術(shù)水平的要求也較高。下面主要介紹潤濕平衡法。3.潤濕平衡法

（1）濕潤平衡法原理當樣品浸入釬料時，樣品、熔融釬料和大氣構(gòu)成一個三相體系。當達到平衡時，由于表面張力的作用，液態(tài)釬料將形成一個彎月面。在液/氣表面張力σlg與固/液表面張力σsl之間所形成的夾角θ即為潤濕角，如右圖所示。潤濕平衡時的表面張力根據(jù)YOUNG氏方程，當液態(tài)釬料在固體母材上的潤濕達到平衡時，則有從上式可以看出，潤濕角θ是由固/氣、固/液和液/氣之間的表面張力決定的。當θ變小時，濕潤性變好，反之，濕潤性變差。然而，液態(tài)釬料在固體母材上的潤濕角θ的準確測量是很困難的。如果將釬料冷卻凝固后再進行測量，由于釬料凝固時各種力的作用，其潤濕角θ必然會產(chǎn)生變化。從上式可以看出，可通過力的測量來反映潤濕的特征，從而導出接觸角和可焊性。這樣，難以測量的潤濕角參數(shù)就變成了較簡單易測的力的測量。當樣品浸入熔融釬料槽時，將受到浮力和潤濕力的作用，其合力F為F=Fm－Fa式中，F(xiàn)m—為潤濕力；Fa—為浮力。上兩式中，L—為樣品在彎月面區(qū)域內(nèi)的周長；

ρ—為熔融合金的密度；V—為樣品浸入釬料中的體積；g—為重力加速度。將上兩式代入合力公式中，得即。因此，反映潤濕質(zhì)量參數(shù)的的測量，就可以轉(zhuǎn)化為簡單的潤濕力和浮力的合力F的測量。這就是潤濕平衡法測試可焊性的基本原理。潤濕平衡可焊性測試儀原理圖（2）試驗材料和試劑1)去離子水：室溫下電阻率應大于1MΩ.cm；2)活性焊劑：將25g氫化松香加入75g異丙醇中，緩慢加熱、攪拌為均勻溶液，加入0.39g二乙胺鹽酸化物并攪拌溶解，配成活性助焊劑待用。3)酸洗液：分析純鹽酸5g（35%），用95g去離子水稀釋（1.75%）。4)試件的制備：將直徑0.6mm的純銅線剪成長度為30mm的一組（5個）試件，要求端面無毛刺且斷面為標準圓形。試件用丙酮進行脫脂清洗，室溫干燥后放入盛有酸洗液的超聲波清洗機中清洗1分鐘，從酸洗液中將試件取出，用去離子水充分清洗，經(jīng)丙酮浸漬后，置室溫干燥待用。（3）測量步驟1)將釬料放入可焊性測試儀的釬料槽內(nèi)加熱熔化，并將溫度保持在（250±3）℃。2)將試件的一端在焊劑中浸漬5秒鐘，浸入深度（4～5）mm。略微傾斜一些將將試件從焊劑中取出，使試件上沒有多余的焊劑。3)將試件放入可焊性測試儀的夾頭中，使浸有焊劑的一端垂直對準釬料槽。4)去除釬料槽表面氧化膜，啟動可焊性測試儀，釬料槽以20mm.s-1的速度自動勻速上移，使試件浸入熔融釬料3mm并自動記錄潤濕力隨時間變化的函數(shù)曲線。潤濕性試驗記錄曲線（4）潤濕曲線分析

在潤濕性試驗記錄曲線圖中，橫軸為時間，縱軸為合力。向上合力為正，向下合力為負。潤濕曲線與橫軸的交點合力為零。

A點：試件進入熔融釬料之前。

B點：試件開始同熔融釬料接觸的時刻，也是測試開始點。

C點：試件浸漬到規(guī)定的深度。

D點：如果試件需要的熱容量大或試件涂的焊劑過多，則在D點才開始產(chǎn)生潤濕。因此，從C點到D點的時間，是試件達到釬焊溫度和焊劑“激活”所需要的時間。

E點：正在潤濕過程中。從D到E點，熔融釬料與試件處于潤濕和凹面回升過程中，表面張力產(chǎn)生向上的分量越來越大。

F點：熔融釬料凹下去的液面這時回到水平，表面張力的方向是水平的，垂直方向的主要作用力是浮力。過F點的時間稱為零交時間，它是衡量產(chǎn)生潤濕快慢的一個重要指標。

G點：在規(guī)定時間所測得的合力值。通常標準選擇2s或3s，即2s或3s時的合力值。

H點：最大合力點。這時釬料“爬升”高度最高，潤濕力最大。

K點：測試結(jié)束前一瞬間的合力值，通常K點的值同H點的值比較接近，表明潤濕的穩(wěn)定性好。如果K點比H點低很多，表明釬料沿著焊端“回落”，凸面有所下降，即產(chǎn)生失潤現(xiàn)象。電子行業(yè)相關(guān)技術(shù)標準規(guī)定，根據(jù)潤濕性試驗記錄曲線，其潤濕的快慢分別以潤濕開始時間t0和潤濕時間t表示，潤濕力的大小分別以2/3Fmax（Fmax為最大潤濕力）和3秒時的潤濕力F3表示。一組（5個）試件試驗數(shù)據(jù)的平均值即為潤濕性的結(jié)果數(shù)據(jù)。6.2.4漫流性試驗1.漫流性試驗原理液態(tài)釬料的漫流性，也稱擴展率。它是液態(tài)釬料在母材表面流動和擴展能力的量度。本方法參照中國國家標準GB11364—89《釬焊鋪展性及填縫性試驗方法》，以嚴格相同的條件在銅板表面上熔化不同的釬料，測試鋪展面積或擴展率來對漫流性進行評價。采用試件為一方形銅片（30×30×0.3～0.4）mm，用400號碳化硅砂布打磨使其表面光潔平整，并用適當?shù)姆椒ㄈコ臀奂把趸?，然后在銅板中心放置釬料，釬料一般為塊狀，若用細絲狀釬料，則應彎成圈狀，重量為（0.1～0.2）g，允許偏差為±1%。若使用助焊劑，其用量應能覆蓋住釬料。以高于釬料液相線溫度40～50℃的溫度進行加熱，當達到規(guī)定溫度約30s時，釬料熔融在試件上，輕輕取出，冷卻后用乙醇除去殘留物，用求積儀測定其鋪展面積。鋪展面積越大，表明釬料潤濕角越小，即漫流性越好?！?00%

式中，D—釬料樣品為球形時的等效球徑/㎜；D=1.24V1/3V—釬料樣品的體積/mm3（V=焊料的重量/釬料的密度）；H—為漫流后釬料曲面的高度/㎜。也可用游標卡尺測量釬料層的高度，然后根據(jù)下式計算其擴展率：漫流性試驗示意圖擴展率測量裝置圖

擴展率測量裝置是利用熔融釬料槽對試件進行加熱，要求釬料槽具有控溫和加熱的功能，并能平穩(wěn)地垂直升降，以便于液態(tài)釬料的表面能夠與試件形成良好的接觸。試樣夾持器被安放在一個懸臂上，其水平高度一般保持固定。

2.試驗裝置3.試驗材料（1）無氧紫銅板：（30×30×0.30～0.40）mm；（2）氫化松香：質(zhì)量符合GB/T14020—1992規(guī)定；（3）異丙醇和丙酮：分析純或以上純度；（4）清洗溶劑：能保證去除焊后的焊劑殘渣；（5）去離子水：室溫電阻率大于1MΩ.cm；（6）0.5%質(zhì)量過二硫酸銨溶液：將250g過二硫酸銨溶液和去離子水混合，加入5ml的濃硫酸（比重1.84），攪拌、冷卻、稀釋至1L；（7）5%質(zhì)量硫酸溶液：在400ml的去離子水中加入50ml的濃硫酸（比重1.84），攪拌、冷卻，用水稀釋至1L；（8）活性焊劑：將25g氫化松香加入75g異丙醇中，緩慢加熱、攪拌為均勻溶液，加入0.39g二乙胺鹽酸化物并攪拌溶解，配成活性焊劑待用。4.試樣制備（1）將（30×30×0.30～0.40）mm的無氧紫銅板用5%質(zhì)量硫酸去除表面氧化膜，用去離子水充分清洗，經(jīng)丙酮浸漬后，置室溫環(huán)境干燥待用。（2）將待測無鉛釬料加工成直徑為4mm，高4mm的圓臺（體積為50.25mm3）。5.測量步驟（1）使用吸管將0.02ml助焊劑滴在試驗銅板中心，再將釬料圓片放在試驗銅板的中心位置，用同樣方式制作一組（5個）試件。（2）將試驗件放入100℃干燥器中加熱2分鐘，使焊劑中的溶劑揮發(fā)掉。（3）使用升降機，使試驗片底部與釬料槽內(nèi)溫度為（250±3）℃的熔融釬料呈水平接觸。（4）讓試驗片同熔融釬料保持水平接觸30秒，使釬料熔化并在試驗片上充分擴展。（5）將試驗片從釬料槽中提升上來，室溫自然冷卻。（6）用清洗劑清洗殘留在試驗片上的焊劑，并用千分尺測定無鉛釬料熔融擴展后的高度。6.結(jié)果評價由擴展率公式計算出釬料在銅片表面的擴展率。一組樣品要求做5個試件，以5個樣品擴展率的算術(shù)平均值即為該釬料的擴展率。擴展率越大，表明該釬料的漫流性越好。也可用球積儀測定釬料在銅片上的鋪展面積，在相同條件下，鋪展面積越大，表明釬料潤濕角越小，即漫流性越好。6.3釬料和焊縫力學性能的試驗方法6.3.1釬料力學性能的測量1.測量裝置測量裝置為萬能電子試驗機，其拉伸速度可調(diào)且精度不低于1級。2.試樣制備采用機械加工方法將鑄造的條狀釬料制備成一組（3個）如下圖所示的啞鈴狀測量試樣。3.測量步驟（1）在試樣的L兩端處作標記，并將其用合適的夾具固定在萬能電子試驗機上。（2）以20mm.min-1的速度進行拉伸，記錄試樣斷裂時的拉力值。釬料力學性能測量試樣圖注1：R≥15mm，P≈60mm，L=50mm，D=10mm。注2：試樣表面粗糙度Ra≤1.6μm，D尺寸公差≤0.04mm。4.計算試樣的抗拉強度和延伸率分別由下兩式計算：P=F/Sδ=(L1-L)/L×100式中：P—抗拉強度/N.mm-2；F—試樣斷裂時的拉力/N；S—試樣基準處的橫截面積/mm2；δ—延伸率/%；L1—試樣斷裂時兩端標記之間的距離/mm；L—試驗前試樣兩端標記之間的距離/mm。一組（3個）試樣件抗拉強度和延伸率的算術(shù)平均值即為該釬料的抗拉強度和延伸率。6.3.2焊縫拉伸與剪切試驗方法1.測量裝置測量裝置為萬能電子試驗機，其拉伸速度可調(diào)且精度不低于1級。2.試驗材料和試劑（1）去離子水：室溫電阻率≥5kΩ.m；（2）丙酮、異丙醇：分析純；（3）酸洗液：分析純鹽酸5g（35%），用95g去離子水稀釋（1.75%）；（4）活性焊劑：將25g氫化松香加入75g異丙醇中，緩慢加熱、攪拌為均勻溶液，加入0.39g二乙胺鹽酸化物并攪拌溶解，配成活性焊劑待用。3.試樣件的制備

（1）拉伸試驗用試樣件的制備1）采用機械加工方法制得如下圖所示形狀和尺寸的一組（3對）純銅拉伸試樣，釬焊部位試樣表面粗糙度Ra≤1.6μm。拉伸試驗用純銅試樣件的形狀和尺寸2）用丙酮對試樣件進行脫脂清洗，室溫干燥后放入盛有酸洗液的超聲波清洗機中清洗1分鐘，從酸洗液中將試樣件取出，用去離子水充分清洗，經(jīng)丙酮浸漬后，置室溫干燥待用。3）將試件釬焊面端部浸入焊劑中5秒鐘，浸入深度以釬焊面恰好完全接觸焊劑液面為限。略微傾斜一些將試樣件從焊劑中取出，使試樣件上沒有多余的焊劑。4）將試件放入專用夾具中，并在兩個釬焊面之間放入適量的待測釬料片，用升降機使試件與釬料槽內(nèi)的熔融釬料（釬料溫度為250℃±3℃）水平接觸并持續(xù)30s，使接合部位能夠獲得良好的釬焊。5）由升降機將試件從釬料槽中提升起來，室溫自然冷卻。6）將焊好的試件從夾具中取出，并對釬焊部位仔細進行機械加工，除去結(jié)合部位以外的釬料，并清洗干凈焊劑殘渣，使其表面粗糙度Ra≤25μm。拉伸試驗用釬焊試樣件如下圖所示。拉伸試驗釬焊試樣

（2）剪切試驗用試樣件的制備1）采用機械加工方法制得如下圖所示形狀和尺寸的一組（3對）純銅剪切試樣件，釬焊部位試樣件表面粗糙度Ra≤1.6μm。

剪切試驗用純銅試樣件的形狀和尺寸

2)～5)步與制備拉伸試樣相同。6）將釬焊好的試樣件從夾具中取出，并對釬焊部位仔細進行機械加工，除去結(jié)合部位以外的釬料，并清洗焊劑殘渣，使其表面粗糙度Ra≤25μm。剪切試驗用釬焊試樣件如下圖所示。

剪切試驗的釬焊試樣

式中σ—焊點的抗拉強度/N.mm-2；P—焊點的最大斷裂負荷/N；A—釬焊面積/mm2。一組試樣件（3個）焊點抗拉強度的算術(shù)平均值即為所測量釬料焊點的抗拉強度。4.測量步驟和結(jié)果計算（1）使用專用夾具，分別將拉伸和剪切試樣固定在萬能電子試驗機上。（2）以20mm.min-1的拉伸（剪切）速度，分別對拉伸試樣件和剪切試樣件進行拉伸試驗和剪切試驗，并記錄試樣件斷裂時的拉（剪切）力。（3）計算抗拉強度和剪切強度焊點的抗拉強度由下式計算：焊點的剪切強度由下式計算：式中：τ—焊點的剪切強度/N.mm-2；PS—焊點的最大斷裂負荷/N；A—釬焊面積/mm2。

一組試樣件（3個）焊點剪切強度的算術(shù)平均值即為所測量釬料焊