焊缝的凝固和金属组织.docVIP

焊缝的凝固和金属组织 ??? 虽然焊缝疑固应该占有重要的技术地位，但是目前为止，还没有将锡钎焊作为疑固现象来研究的事例，无论从学术方面还是从生产角度来看，都是很少涉及的领域。然而，在无铅钎料的使用过程中，先后出现了一些涉及疑固的重要问题，例如，微欢偏析、焊点剥离、缩和疑固开裂、焊盘剥落等。下面，对焊缝疑固进行一些探讨。 1.钎料的自然凝固 ?? 焊缝的疑固质量会影响焊缝的工艺性能使用性能和寿命，疑固（Solidification）和结晶是物质从液态转变为固态的过程中，既是一个相变过程，从微欢角度看，金属的结晶是由晶核的形成和长大这两个基本过程组成的，两者交错重叠进行，液态金属冷却到疑固温度时，首先形成晶核，在继续冷却的过程中，晶核吸收周围的原子而长大，与此同时，又有新的晶核不断的形成和长大，直至相邻晶体彼此接触，液态金属完全消失，最后得到由许多形状、大小和晶格位向都不相同的小晶粒组成的多晶体。金属的自然疑固过程如图2-21所示。 图2-22给出了两种液态钎料合金从260`C以相同条件自然冷却疑固后的表面状态。由图可见，Sn-0.7Cu钎料的疑固表面很粗造，呈现典型的树脂状结晶；而Sn-37pb钎料的疑固较细腻，表面呈河流花样结晶，这从某种角度表明．用Sn-0. 7Cu无铅钎料的焊点其表面结晶是非致密和粗糙的，而用Sn-37pb钎料的焊点表面是致密和光洁的，实验发现纯锡在相同条件下疑固的表面状态介于二者之间，说明Cu会增大液态锡表面结晶的粗糙度，而pb则会降低液态锡结晶的粗糙度，事实上，除熔点很低的无铅钎料以外，目前已经进入工业应用的无铅钎料如Sn\Cu、Sn-An-Cu等，均存在着结晶表面粗糙和龟裂的现象。 ? 图2-23是Sn-An-Cu共晶无铅钎料在铜板上熔化后自然凝固的照片，从凝固过程的实时欢测可知，钎料液滴的疑固是从周边开始，瞬间即到达中央，最终凝固的是顶上白色的部分，图中清楚地显示了钎料凝固所产生的缩松和龟裂的空洞。 由于液滴的凝固从周边开始，且凝周速度很决，在树枝晶生长过程中会产生很大的应 力，于是便产生热裂纹．在最终凝固区发生缩松和龟裂。产生缩松和龟裂的机理如图2-24所示。 ?2.焊缝的凝固结晶 (1)烨缝凝固的特点对于电子微连接焊缝的凝固，虽然也存在晶核的形成、长大直至凝固成晶体的过程，但与熔焊条件下的溶池凝固相比，有其自身的特点，包括：‘ 1）电子钎焊焊缝的尺寸很小使炸缝熔池的体积特别微小，当热源离开以后，冷却退度很大。因此，在结晶过程中焊缝内部的温度梯度大，成分过冷也大。 2）在钎焊过程中，一般加热温度高于钎料合金液相线50 ~ 70`C，虽然焊缝中的液态金属处干又过热状态，但由于过热度较低．冷却速度很大，熔池的形核主要是非自发形核。 3）电子钎焊大生产般采川自动机械化流水作业．虽然对焊缝内的液态金属没有搅拌作用，但由于流水线的运动，焊缝仍然是处于运动态下结晶。 4)焊缝中的钎料从液态到凝固在极短的时间内完成、 这些特点决定了电了钎焊焊缝的结晶形态与熔焊条件下的结晶形态有着显著的区别。在熔焊条件下，从焊缝的边界到中心，结晶形成将由平面晶向胞状晶，树枝胞状晶、树枝晶有直向等轴晶发展，而电子钎焊焊缝，由于焊缝极小，冷却速度很快，不可能都有这些结晶形态。 ???? (2)焊缝的疑固状态和缺陷 由于电子微连接的特殊性，使焊缝金属在结晶过程中，由于来不及扩散而存在着严重的化学成分的不均匀性。在焊缝内部，存在着严重的显微扁析和区域偏析尤其是在母材与钎料的界面，由于液、固相互溶解和扩散，存在着严重的成分偏析。 ??? 图2-25所示为用Sn-3Bi无铅钎料进行通孔插装的焊点，可以清晰地看出在焊盘与焊点之间的界面发生了剥离。 ? 从图中可以发现 ,含Bi的焊点表面有明显的树枝晶，这些树枝晶组织是由于凝固时发生Bi的偏析造成的。因为凝固是从焊点上部开始的趟着树枝鼎的生长．Bi被排挤到液和中使州点’拟甲盘界自附近成长起来的树枝品叫端Bi浓度增大，树枝品生长变缓同时热从通孔内部经焊盘传输出来，使焊盘附近的钎料被加热，进一步推迟了该区域的凝固过程，由于偏析的产生，使热传输不均匀，在垂直于焊盘方向的应力收缩增大．于是便从界面附近产生剥离。 事实上，不仅含Bi的无铅钎料会发生焊点，而且使用其他无铅钎料也会不同程度地发生类似现象。发生焊点剥离，意味着钎料连接部位从一开始就是不可靠的图2-26所示为Sn-0.7Cu无铅钎料进行波峰焊后，在通孔处观察到的焊点表面的凝固开裂现象 有时，按头上既无焊点剥离产生，又无焊点凝固开裂．但会发生焊盘从基板上剥落的现象，这是因为在既无焊点剥离又无凝固开裂的情况下、应力将全部集中于焊盘附近，使