無鉛焊料與基材界面反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)研究.pdf

1、焊點的可靠性和使用壽命主要取決于焊接過程中焊料與基材界面反應(yīng)時焊接區(qū)域內(nèi)微觀組織。焊料與基材界面反應(yīng)過程中焊點的微觀組織演化是體系中熱力學(xué)因素和動力學(xué)因素綜合作用的結(jié)果。因此，建立合理、自洽、準(zhǔn)確的焊料與基材體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，研究焊料與基材在焊接和服役過程中界面和焊接區(qū)域的顯微組織演化，對于預(yù)測與控制焊點的可靠性和使用壽命具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目(No：50371104)：錫基無鉛焊

2、料與基材問界面反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)研究，通過實驗測定和相圖計算方法(CALPHAD)對Sn基無鉛焊料合金與基材體系的相平衡關(guān)系、界面反應(yīng)和擴散動力學(xué)進(jìn)行了以下研究： (1)為了構(gòu)建相互兼容自洽的多組元體系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，通過CALPHAD方法，采用最新統(tǒng)一的晶格穩(wěn)定性參數(shù)分別重新優(yōu)化了Sn-Ag和Sn-Bi二元系中hcpA3和bct A5相的熱力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合已有合理的Au-Ag、Au-Sn、Ag-Bi二元系熱力學(xué)參數(shù)和文獻(xiàn)報道的

3、三元體系熱力學(xué)性質(zhì)和相平衡數(shù)據(jù)，優(yōu)化計算了Sn-Ag-Au和Sn-Ag-Bi兩個三元系，獲得了描述這兩個三元系的熱力學(xué)參數(shù)，建立了Sn-Ag-Bi-Au體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。 (2)通過掃描電子顯微鏡和電子探針微區(qū)成分分析，首先測定了在773 K和873 K時Sn-Ag-Ni三元系的部分相平衡關(guān)系。其次，評估了文獻(xiàn)中有關(guān)相圖和熱力學(xué)性質(zhì)的實驗信息，優(yōu)化計算了Ag-Ni二元系，計算的相圖和熱力學(xué)性質(zhì)與實驗數(shù)據(jù)相一致。最后，根據(jù)本文實

4、測和文獻(xiàn)報道的相平衡關(guān)系和熱力學(xué)性質(zhì)的實驗信息，優(yōu)化計算了Sn-Ag-Ni三元系，獲得了一組合理描述各相Gibbs自由能的熱力學(xué)參數(shù)。 (3)實驗測定了在773 K和873 K時Sn-Bi-Ni三元系的部分相平衡關(guān)系。其次，評估了文獻(xiàn)中有關(guān)相圖和熱力學(xué)性質(zhì)的實驗信息，重新優(yōu)化計算了Bi-Ni二元系，計算的相圖和熱力學(xué)性質(zhì)與實驗數(shù)據(jù)相吻合。最后，根據(jù)本文實測和文獻(xiàn)報道的相平衡關(guān)系的實驗結(jié)果，優(yōu)化計算了Sn-Bi-Ni三元系。計算的

5、等溫截面與實驗結(jié)果相吻合，計算的部分零變量反應(yīng)與文獻(xiàn)報道的計算結(jié)果相一致。 (4)采用擴散偶技術(shù)，借助金相、掃描電子顯微鏡和電子探針微區(qū)成分分析，實驗研究了423 K和493 K下不同成分Sn-Bi、Sn-Ag合金與基材Ni的界面反應(yīng)。實驗結(jié)果表明：在界面處只形成Ni38114，且Ni3S114的長大遵守擴散控制的拋物線長大規(guī)律。在局部平衡原理和相圖熱力學(xué)計算的基礎(chǔ)上，通過計算比較界面處局部平衡時各相形成驅(qū)動力的大小和考慮界面組

6、元擴散的因素，較好地解釋了Sn-Bi、Sn-Ag合金與基材Ni界面反應(yīng)的實驗結(jié)果。 (5)利用擴散偶技術(shù)，實驗測定了923 K和1053 K下Cu-7at.％Sn/Cu擴散偶中組元Sn的濃度分布與擴散距離的曲線。在CALPHAD方法的框架下，結(jié)合相關(guān)熱力學(xué)信息和各種類型的實測擴散系數(shù)數(shù)據(jù)，采用DICTRA軟件評估優(yōu)化了Au、Cu、Ni和Sn在Au.Ni體系、Cu-Ni體系和Cu-Sn體系fcc合金中的原子移動性參數(shù)。利用優(yōu)化獲得