摘 要

银基钎料具有润湿性好、耐腐蚀性强、填缝性能佳等优点，因此在微电子封装、航空航天、医疗器械等行业得到广泛应用。Ag-Cu-Sn钎料作为一类银基钎料，也因其熔点低、流动性强、不含高蒸气压元素，且钎焊后的焊接接头强度高，普遍适用于钎焊领域。但由于目前针对熔化温度600℃以下的电真空器件所用钎料的研究较少，因此本课题设计出一种熔化温度大约为550℃的高锡Ag-Cu-Sn钎料，且利用电磁压制技术压制出了Ag-25.5Cu-27Sn钎料，并通过工艺试验、显微观察、理论分析等方式研究了烧结温度对Ag-25.5Cu-27Sn钎料相对密度、物相组织和显微形貌的影响。结果显示：在烧结时间一定且处于一定的烧结温度范围的前提下，适当升高烧结温度可提高钎料的相对密度和致密度，改变Ag-25.5Cu-27Sn钎料压坯内部的显微组织，增强焊接接头的抗拉强度，在整体上提高钎料的综合性能。

关键词：电真空钎料；电磁压制；烧结工艺；烧结温度

Abstract

Silver-based brazing filler metal has the advantages of good wettability strong corrosion resistance and good sealing performance, so it is widely used in many industries, such as microelectronics packaging, aerospace and medical equipment. Ag-Cu-Sn brazing filler metal is a class of silver-based brazing filler metal, it is also widely used in the field of brazing because of its low melting, strong mobility and low vapor pressure elements.And the strength of the welded joint is high after brazing. However, due to the study of the brazing filler metal whose melting temperature is below 600℃ is less, so I designed a kind of high tin Ag-Cu-Sn brazing filler metal whose melting temperature was about 550℃. Ag-25.5Cu-27Sn brazing filler metal was extruded by electromagnetic pressing technique. And I studyed the effects of sintering temperature on the relative density, phase structure and microstructure of Ag-25.5Cu-27Sn brazing filler metal by the means of the process test, microscopic observation, theoretical analysis and so on. The results showed that the sintering temperature could increase the relative density and density of the brazing filler metal, changed the microstructure of Ag-25.5Cu-27Sn brazing filler metal under the condition that the sintering time was constant and within a certain sintering temperature range, improved the microhardness of solder, and enhanced the tensile strength of welded joints, improving the overall performance of the brazing filler metal.

Key Words: electric vacuum solder; electromagnetic pressing; sintering process; sintering temperature

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2电真空钎料 1

1.2.1电真空钎料 1

1.2.2常用的电真空钎料 2

1.3电磁粉末压制 3

1.3.1 电磁粉末压制 3

1.3.2电磁粉末压制技术的研究现状 3

1.4烧结工艺 4

1.5选题意义研究的主要内容 5

第2章 试验方法及过程 6

2.1试验材料 6

2.1.1试验原材料 6

2.1.2银基钎料的组成设计 6

2.2电磁压制粉末试验 7

2.3烧结试验 9

2.4 钎焊试验 9

2.5 钎料性能测试 11

2.5.1密度测试 11

2.5.2物相组织分析 11

2.5.3观察钎料及焊缝显微组织 12

2.5.4显微硬度测试 12

2.5.5抗拉强度测试 13

第3章 试验结果及分析 14

3.1钎料的相对密度 14

3.2 XRD结果及分析 15

3.3钎料的显微组织 17

3.4钎料的显微硬度 18

3.5焊接接头的抗拉强度 19

第4章 试验结论 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1引言

21世纪以来，微电子行业得到迅猛的发展，而作为其核心产业,封装产业的发展也呈现出一片欣欣向荣之境。微电子封装^[1]指的是一种利用各种焊接方式，把芯片和其它要素固定在PCB板上的技术。电真空器件^[2]是微电子封装产业的重要组成，它具体指的是在真空或其它气体环境中，利用高速运动的电子与电磁场间的相互作用，将电磁能的能量形式进行转换的器件 ，例如我们所熟知的显像管、微波电子管、充气管、电子束管等都属于电真空器件。电真空器件的组成较简单，包括电极和密封壳，管内一般为真空状态，有时因需要充有其它气体。虽然随着半导体电子器件在20世纪60年代以后的发明和兴起，电真空器件的发展受到一定的阻碍，但它在大功率、高频率领域内仍然焕发着生机，依旧被广泛应用于制造、航空、通信、电视和医疗等行业。尤其近年来由于电子行业的快速发展，电真空器件更加受到业界关注，同时业界对电真空器件的制造也提出更高的要求。电真空器件通常是由钎焊技术多级焊接而成，在实际生产中，焊接阶段一般达4个以上，且要求钎焊尺寸精度高，焊缝致密。

1.2电真空钎料

1.2.1电真空钎料

钎料指的是焊接过程中充当母材和焊缝间的填充物的材料，而电真空钎料是指将电真空器件各部分焊接起来所使用的钎料。因为电真空器件是利用钎焊技术把各部分材料连接而成的，焊接的质量对电真空器件来说至关重要，因此电真空器件对所有组成材料和焊料的性能都有非常严格的要求。首先，电真空钎料中不能含有高蒸汽压元素，例如Mg、Zn等，因为焊料中的高蒸汽压元素会因温度升高而蒸发，从而影响焊缝质量；其次，钎料的纯度必须得到保证，否则在钎料熔化过程中杂质中可能会有气体的挥发，从而破坏器件的真空状态，同时杂质还会破坏焊接接头的光洁度；再次，钎料的熔点要低，因为钎料熔点低意味着钎焊温度就低，钎焊温度低，意味接头的残余应力就小；最后，钎料还应具有其它方面的突出性能，比如较强的导热导电性、良好的延展性、优良的耐腐蚀性等。

1.2.2常用的电真空钎料

目前在钎焊领域内使用相对频繁的钎料主要有三类：1、金基系列钎料^[3]；2、银基系列钎料^[4]；3、铜基系列钎料。Au的熔点为1064℃，金基钎料指的是Au和Cu、Ga、Pd、Si、In、Ni等金属形成的合金钎料，其熔点低，蒸气压不高，导热导电性好，耐腐蚀性强，形成的焊接接头强度也高。金基钎料中Au-Cu钎料、Au-Ni钎料和Au-Pd钎料常被用于焊接电真空器件。Au-Cu钎料熔点低，填缝能力强，且在Au-Cu钎料内加入少量的Ni可改善焊接接头的力学性能。Au-Ni钎料不仅具有Au-Cu钎料所有的优点，且在抗氧化、抗高温等方面优势突出，常用于钎焊铜等金属的焊接。Au-Pd钎料抗氧化性高，高温下耐腐蚀性强，但因其钎焊温度一般在1200℃以上，所以使用有局限。除上述三种比较常用的金基系列钎料，相关学者也根据生产需求研究新型的金基系列钎料，例如崔大田等^[5]人通过不断研究成功研制出了一种熔点温度在450℃～500℃的Au-Ag-Ge钎料，而且他们还研究出了薄带加工钎料的技术。金基系列钎料除了具有上述特点之外，还能和Si、Ga等半导体芯片形成共晶键，共晶键可使电路和微电子器件间的连接更可靠。虽然金基系列钎料具有良好的的焊接工艺性，在一些特定温度范围内也很难找到可替代它的钎料，但成本相对其它钎料要更高。

纯银的熔点为960℃， 因其导电导热性高、塑性好、流动性强等特点，它本身就可作为一种钎料。但是由于银的高温强度低，蒸气压相对较高，润湿性不足，因此常用银基系列钎料代替。银基系列钎料的基本成分为单质银或银基固溶体，由于其熔点适宜、塑性较高、润湿性好、价格便宜等优点，且形成的焊接接头各方面性能俱佳，银基钎料成为了目前业界公认可替代铅锡焊料的最佳选择^[6]。Ag-Cu钎料是一类被广泛使用的银基钎料，润湿性强，流动性强佳，且加热时也不会挥发，但Ag-Cu钎料熔化温度较高，所以传统做法是在Ag-Cu钎料添加Ge元素来降低熔化温度，改善钎料的塑性等性能，但由于Ge元素有毒因此被禁用。为了解决此问题，研究人员在近些年研制出了中温银基钎料，其做法是在Ag-Cu钎料中添加Sn、Ni、Zn等元素。例如在Ag-Cu钎料中加入Sn元素，制得的Ag-Cu-Sn系列钎料不但合金熔点降低了，而且钎料在母材表面的漫流性也得到改善。但研究也发现，随着Ag-Cu-Sn钎料的含Sn量的增加，其脆性也显著增强，加工性能逐渐减弱。因此针对这个问题，目前业界内较普遍的做法是在Ag-Cu-Sn系列钎料中添加有益元素。Ma X等人^[7]研究了La元素对Ag-Cu-Sn系钎料的影响，结果发现，在钎料中添加适量的La不仅能降低钎料的熔点，还能提高钎料的润湿性。国内的刘艳等人^[8]采用单辊法制备出Ag-Cu-Sn合金，并在其中加入Ni元素，研究发现，随着含Ni量的增加，Ag-Cu-Sn合金的抗拉强度增强，伸长率增大；但随着含Ni量持续增加，钎料的加工性能也会逐渐减弱。因此，考虑到钎料要具有优异的综合性能，目前国内科研人员常采用的方式是在Ag-Cu系列钎料中加入Sn和Ni的复合元素。