SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點微觀組織與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)及演變研究一、緒論1.1研究背景在當今數(shù)字化時代，電子設(shè)備已成為人們生活和工作中不可或缺的一部分。從智能手機、平板電腦到高性能計算機、通信基站，電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，功能也日益強大。而電子封裝技術(shù)作為實現(xiàn)電子設(shè)備小型化、高性能化和高可靠性的關(guān)鍵支撐技術(shù)，其發(fā)展水平直接影響著電子設(shè)備的性能、尺寸、重量以及成本。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對電子封裝技術(shù)提出了越來越高的要求。一方面，電子設(shè)備朝著小型化、輕量化和多功能化的方向發(fā)展，這就需要電子封裝能夠在有限的空間內(nèi)集成更多的功能模塊，提高封裝密度；另一方面，電子設(shè)備的性能不斷提升，如高速信號傳輸、高功率處理等，對電子封裝的電氣性能、熱性能和力學(xué)性能等方面也提出了更為嚴格的要求。在這種背景下，焊點作為電子封裝中實現(xiàn)電氣連接和機械固定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能對電子設(shè)備的可靠性和使用壽命起著至關(guān)重要的作用。在眾多的焊點連接技術(shù)中，摩擦焊以其獨特的優(yōu)勢在電子封裝領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。摩擦焊是一種固相連接方法，通過在焊件接觸表面施加壓力并使其相對摩擦運動，利用摩擦產(chǎn)生的熱量使焊件表面達到塑性狀態(tài)，然后在壓力作用下實現(xiàn)金屬原子間的擴散和結(jié)合，從而形成牢固的焊點。與傳統(tǒng)的釬焊、熔焊等連接方法相比，摩擦焊具有焊接接頭質(zhì)量高、強度大、無焊縫缺陷（如氣孔、裂紋等）、焊接過程無需添加填充材料、對環(huán)境友好等優(yōu)點。此外，摩擦焊還能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料之間的連接，這為滿足電子封裝中對多種材料集成的需求提供了可能。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點是一種常見的電子封裝焊點結(jié)構(gòu)，其中SAC0307是一種典型的無鉛焊料，主要成分為錫（Sn）、銀（Ag）和銅（Cu），具有良好的力學(xué)性能、電氣性能和耐腐蝕性；Cu柱則作為連接引腳，用于實現(xiàn)芯片與基板之間的電氣連接和機械支撐。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點在電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用，如智能手機、平板電腦、筆記本電腦等的主板上，以及各種電子元器件的封裝中。然而，在實際應(yīng)用過程中，SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點會受到多種因素的影響，如焊接工藝參數(shù)、服役環(huán)境（溫度、濕度、振動等）等，這些因素可能導(dǎo)致焊點的顯微組織發(fā)生變化，進而影響其力學(xué)性能和可靠性。例如，不合適的焊接工藝參數(shù)可能導(dǎo)致焊點內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，如孔洞、未焊合區(qū)域等，降低焊點的強度和韌性；在高溫、高濕等惡劣服役環(huán)境下，焊點可能發(fā)生腐蝕、疲勞等失效現(xiàn)象，嚴重影響電子設(shè)備的正常運行。因此，深入研究SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的顯微組織及力學(xué)性能演變規(guī)律，對于優(yōu)化焊接工藝、提高焊點質(zhì)量和可靠性、延長電子設(shè)備的使用壽命具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。通過對焊點顯微組織的分析，可以了解焊接過程中金屬原子的擴散、結(jié)晶等行為，揭示焊點內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成機制；對力學(xué)性能演變的研究，則可以掌握焊點在不同條件下的強度、韌性、疲勞性能等變化規(guī)律，為焊點的設(shè)計和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。同時，這也有助于推動電子封裝技術(shù)的發(fā)展，滿足電子設(shè)備不斷升級換代的需求，促進電子信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進步。1.2研究目的與意義本研究聚焦于SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點，旨在深入剖析其在不同條件下的顯微組織特征及其力學(xué)性能的演變規(guī)律，為電子封裝工藝的優(yōu)化以及電子產(chǎn)品可靠性的提升提供堅實的理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。從理論層面來看，焊點的顯微組織是理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵切入點。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點在焊接過程中，由于摩擦熱的作用以及不同材料間的相互擴散，其內(nèi)部會形成復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)包括焊點內(nèi)部的晶粒形態(tài)、晶界分布、金屬間化合物的種類、形態(tài)、尺寸及其分布等，它們對焊點的力學(xué)性能如強度、韌性、疲勞性能等起著決定性作用。然而，目前對于SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點在復(fù)雜焊接工藝參數(shù)和服役環(huán)境下的顯微組織演變機制，以及這些演變?nèi)绾尉_地影響力學(xué)性能的定量關(guān)系，尚未形成系統(tǒng)且深入的認識。本研究通過運用先進的材料分析技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、能譜分析（EDS）等，對焊點的顯微組織進行細致的觀察和分析，試圖揭示焊接過程中金屬原子的擴散行為、結(jié)晶規(guī)律以及金屬間化合物的形成與生長機制，建立起顯微組織與力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，豐富和完善電子封裝焊點的材料科學(xué)理論體系。在實際應(yīng)用方面，隨著電子設(shè)備朝著小型化、高性能化和高可靠性方向的快速發(fā)展，對電子封裝中焊點的性能提出了更為嚴苛的要求。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點作為電子封裝中的關(guān)鍵連接部位，其質(zhì)量和可靠性直接關(guān)系到整個電子設(shè)備的正常運行和使用壽命。在實際的生產(chǎn)制造過程中，焊接工藝參數(shù)的波動，如摩擦壓力、旋轉(zhuǎn)速度、焊接時間等，會顯著影響焊點的質(zhì)量和性能。不合適的工藝參數(shù)可能導(dǎo)致焊點內(nèi)部出現(xiàn)孔洞、未焊合區(qū)域等缺陷，降低焊點的強度和韌性，增加電子產(chǎn)品在使用過程中的失效風(fēng)險。此外，電子產(chǎn)品在服役過程中，焊點會受到溫度變化、濕度、振動、電應(yīng)力等多種復(fù)雜環(huán)境因素的綜合作用，這些因素可能引發(fā)焊點的疲勞、腐蝕、蠕變等失效現(xiàn)象，嚴重影響電子產(chǎn)品的可靠性。通過對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點力學(xué)性能演變的研究，掌握其在不同工藝參數(shù)和服役環(huán)境下的性能變化規(guī)律，可以為焊接工藝的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。例如，根據(jù)研究結(jié)果確定最佳的焊接工藝參數(shù)組合，減少焊點缺陷的產(chǎn)生，提高焊點的質(zhì)量和一致性；同時，針對不同的服役環(huán)境，制定相應(yīng)的防護措施和可靠性設(shè)計準則，增強焊點的抗失效能力，從而提高電子設(shè)備的整體可靠性和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本和售后維修成本，滿足電子信息產(chǎn)業(yè)對高性能、高可靠性電子產(chǎn)品的迫切需求，推動電子信息產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1CGA器件封裝研究現(xiàn)狀CGA（ColumnGridArray）器件封裝作為一種重要的電子封裝形式，在電子領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其發(fā)展歷程與電子技術(shù)的進步緊密相連，經(jīng)歷了多個重要階段。早期的CGA器件封裝技術(shù)相對簡單，主要側(cè)重于實現(xiàn)電氣連接和基本的機械支撐功能。隨著電子產(chǎn)品對小型化、高性能和高可靠性的需求不斷增加，CGA器件封裝技術(shù)也在不斷演進。在封裝材料方面，從最初使用的傳統(tǒng)金屬和陶瓷材料，逐漸發(fā)展到采用新型的復(fù)合材料和高性能聚合物，以滿足更好的電氣性能、熱性能和機械性能要求。例如，一些新型的陶瓷材料具有更低的介電常數(shù)和更高的熱導(dǎo)率，能夠有效減少信號傳輸延遲和提高散熱效率。在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計上，不斷優(yōu)化引腳布局和結(jié)構(gòu)形式，以提高引腳的電氣性能和機械強度，增強器件的可靠性和穩(wěn)定性。例如，通過采用交錯排列的引腳布局方式，可以減小引腳間的電磁干擾，提高信號傳輸?shù)臏蚀_性。當前，CGA器件封裝技術(shù)的研究重點主要集中在幾個關(guān)鍵方面。在提高封裝密度方面，研究人員致力于開發(fā)新的封裝結(jié)構(gòu)和工藝，以在有限的空間內(nèi)集成更多的功能模塊，實現(xiàn)更高的引腳數(shù)和更小的引腳間距。例如，采用扇出型封裝技術(shù)，可以將芯片的引腳擴展到芯片外部，從而增加引腳數(shù)量，提高封裝密度。在提升電氣性能方面，深入研究信號傳輸特性、電磁兼容性等問題，通過優(yōu)化封裝材料和結(jié)構(gòu)，減少信號傳輸過程中的損耗、延遲和干擾，提高信號的完整性和可靠性。例如，研究新型的低介電常數(shù)材料，用于封裝基板，以降低信號傳輸?shù)膿p耗；采用電磁屏蔽技術(shù)，減少外界電磁干擾對器件的影響。在改善熱性能方面，關(guān)注散熱問題，研發(fā)高效的散熱結(jié)構(gòu)和材料，確保器件在工作過程中能夠及時有效地散發(fā)熱量，避免因過熱導(dǎo)致性能下降或失效。例如，采用熱導(dǎo)率高的金屬材料作為散熱片，或者在封裝內(nèi)部引入散熱通道，提高散熱效率。此外，隨著電子設(shè)備應(yīng)用場景的不斷拓展，對CGA器件封裝在惡劣環(huán)境下的可靠性要求也越來越高，因此，研究其在高溫、高濕、振動等惡劣環(huán)境下的可靠性也是當前的一個重要研究方向。例如，研究封裝材料的耐腐蝕性和抗疲勞性能，以及封裝結(jié)構(gòu)在振動環(huán)境下的力學(xué)性能，以確保器件在惡劣環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作。盡管CGA器件封裝技術(shù)取得了顯著進展，但仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。在工藝復(fù)雜性方面，隨著封裝密度的提高和引腳間距的減小，封裝工藝的難度大幅增加，對設(shè)備精度和工藝控制的要求也越來越高。例如，在進行微間距引腳的焊接時，需要高精度的焊接設(shè)備和精確的工藝參數(shù)控制，以確保焊接質(zhì)量，減少虛焊、短路等缺陷的出現(xiàn)。這不僅增加了生產(chǎn)成本，還對生產(chǎn)效率產(chǎn)生了一定影響。在成本控制方面，新型封裝材料和先進封裝工藝的應(yīng)用往往會導(dǎo)致成本上升，如何在保證性能的前提下降低成本，是CGA器件封裝技術(shù)面臨的一個重要問題。例如，開發(fā)低成本的新型封裝材料，或者優(yōu)化封裝工藝，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。在可靠性驗證方面，由于CGA器件封裝在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性受到多種因素的綜合影響，建立全面準確的可靠性評估模型和測試方法具有很大難度。例如，在評估器件在高溫、高濕和振動等多因素協(xié)同作用下的可靠性時，需要考慮各種因素之間的相互影響，目前的測試方法和評估模型還難以完全準確地反映實際情況，這給器件的可靠性驗證帶來了挑戰(zhàn)。1.3.2Sn-Ag-Cu系釬料的研究現(xiàn)狀Sn-Ag-Cu系釬料作為無鉛釬料的重要體系，在電子封裝領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用，其研究涵蓋成分、性能及應(yīng)用領(lǐng)域等多個關(guān)鍵方面。在成分研究上，通過添加微量元素對Sn-Ag-Cu系釬料進行合金化改性是重要方向。有研究表明，添加適量的稀土元素（如La、Ce等）可細化釬料的微觀組織，提高其強度和韌性。這是因為稀土元素能夠在釬料凝固過程中作為形核質(zhì)點，促進晶粒細化，同時還能與釬料中的雜質(zhì)元素結(jié)合，減少雜質(zhì)對性能的不利影響。加入微量的Ni可以增強釬料與基板之間的界面結(jié)合強度，抑制金屬間化合物的過度生長。Ni在釬料與基板的界面處形成一層穩(wěn)定的化合物層，阻止了金屬間化合物的無序生長，從而提高了焊點的可靠性。對釬料中各主要成分（Sn、Ag、Cu）的比例優(yōu)化也一直是研究熱點。不同的成分比例會導(dǎo)致釬料在熔點、潤濕性、力學(xué)性能等方面產(chǎn)生顯著差異。例如，適當增加Ag含量可以提高釬料的強度和硬度，但過高的Ag含量會使釬料的熔點升高，成本增加；而調(diào)整Cu含量則會影響釬料中金屬間化合物的生成和分布，進而影響釬料的性能。在性能研究方面，Sn-Ag-Cu系釬料的力學(xué)性能是關(guān)注重點之一。其強度、韌性、疲勞性能等受到微觀組織、成分以及服役環(huán)境等多種因素的綜合影響。細小均勻的晶粒組織能夠有效提高釬料的強度和韌性，因為細晶粒增加了晶界數(shù)量，晶界可以阻礙位錯運動，從而提高材料的強度；同時，晶界還能吸收和分散裂紋擴展的能量，提高材料的韌性。在高溫服役環(huán)境下，釬料的蠕變性能成為影響焊點可靠性的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化釬料成分和微觀組織，可以提高其抗蠕變性能。例如，形成彌散分布的第二相粒子可以阻礙位錯的滑移和攀移，從而抑制蠕變變形的發(fā)生。釬料的潤濕性對于焊接質(zhì)量至關(guān)重要，它直接影響釬料與基板之間的結(jié)合強度和焊點的完整性。潤濕性受到釬料成分、表面張力、基板材料以及焊接工藝等因素的影響。研究表明，添加某些活性劑或?qū)暹M行表面處理，可以改善釬料的潤濕性。例如，在釬料中添加少量的Zn可以降低釬料的表面張力，提高其在基板上的鋪展能力，從而改善潤濕性。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，Sn-Ag-Cu系釬料憑借其良好的綜合性能，在電子制造行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。在消費電子領(lǐng)域，如智能手機、平板電腦等產(chǎn)品的生產(chǎn)中，Sn-Ag-Cu系釬料被用于芯片與電路板之間的連接，確保電子設(shè)備的電氣性能和機械穩(wěn)定性。在計算機領(lǐng)域，用于CPU、內(nèi)存等關(guān)鍵部件的封裝，滿足了計算機對高性能、高可靠性的要求。隨著汽車電子的快速發(fā)展，Sn-Ag-Cu系釬料在汽車電子控制系統(tǒng)、傳感器等部件的焊接中也得到了應(yīng)用，適應(yīng)了汽車電子在高溫、振動等復(fù)雜環(huán)境下的工作要求。SAC0307釬料作為Sn-Ag-Cu系釬料中的典型代表，具有獨特的特點和優(yōu)勢。其成分中Ag含量相對較低（3%左右），Cu含量為0.7%左右，這種成分組合使得SAC0307釬料在成本上具有一定優(yōu)勢，同時又能保持較好的綜合性能。與高銀含量的Sn-Ag-Cu系釬料相比，SAC0307釬料的熔點適中，能夠在較為合理的溫度范圍內(nèi)進行焊接，減少了對焊接設(shè)備和基板材料的高溫損傷風(fēng)險。在力學(xué)性能方面，SAC0307釬料具有良好的強度和韌性，能夠滿足大多數(shù)電子封裝應(yīng)用場景對焊點力學(xué)性能的要求。在實際應(yīng)用中，SAC0307釬料表現(xiàn)出較好的可靠性和穩(wěn)定性，因此在電子封裝領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1.3.3納米壓痕法對釬料力學(xué)性能的研究納米壓痕法作為一種先進的材料力學(xué)性能測試技術(shù)，其原理基于連續(xù)加載和卸載過程中對壓頭與材料相互作用的精確測量。在測試過程中，通過計算機精確控制一個具有特定幾何形狀（如三棱錐形的Berkovich壓頭）的壓頭，以極小的載荷逐步壓入材料表面。隨著載荷的增加，壓頭逐漸壓入材料，材料表面發(fā)生彈性變形和塑性變形。當達到最大載荷后，開始卸載，此時材料的彈性變形部分恢復(fù)，而塑性變形則保留下來，在材料表面形成一個微小的壓痕。通過高精度的位移傳感器實時監(jiān)測壓頭的位移變化，同時記錄對應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)，從而得到完整的載荷-位移曲線。這條曲線包含了豐富的材料力學(xué)性能信息，通過對其進行深入分析，可以獲取材料的硬度、彈性模量、屈服強度等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。在釬料力學(xué)性能測試中，納米壓痕法具有獨特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的力學(xué)性能測試方法相比，納米壓痕法可以在微觀尺度下對釬料的力學(xué)性能進行精確測量，避免了傳統(tǒng)方法中由于樣品尺寸較大、測試結(jié)果受宏觀缺陷和不均勻性影響的問題。由于釬料在電子封裝中通常以微小焊點的形式存在，納米壓痕法能夠更好地模擬焊點的實際受力情況，提供更準確的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。例如，在測量釬料與基板界面處的力學(xué)性能時，納米壓痕法可以精確地定位到界面區(qū)域進行測試，而傳統(tǒng)方法很難做到這一點。通過納米壓痕法得到的研究成果表明，釬料的力學(xué)性能在微觀尺度下呈現(xiàn)出與宏觀尺度不同的特性。釬料的硬度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)在不同的微觀區(qū)域（如釬料基體、晶界、金屬間化合物等）存在明顯差異。在釬料基體中，由于原子排列相對規(guī)則，其硬度和彈性模量相對較為均勻；而在晶界處，由于原子排列不規(guī)則，存在較多的缺陷和應(yīng)力集中，使得晶界處的硬度和彈性模量與基體有所不同，且晶界的存在對釬料的塑性變形和裂紋擴展有重要影響。金屬間化合物相的硬度通常較高，但韌性較差，它們的存在會改變釬料整體的力學(xué)性能。通過納米壓痕法還發(fā)現(xiàn)，釬料的力學(xué)性能受到多種因素的影響，如釬料的成分、微觀組織、熱處理工藝以及服役環(huán)境等。不同成分的釬料，其原子間的結(jié)合力和晶體結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致力學(xué)性能存在差異；微觀組織的細化可以提高釬料的強度和韌性；適當?shù)臒崽幚砉に嚳梢韵F料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，改善其力學(xué)性能；而在高溫、高濕等惡劣服役環(huán)境下，釬料的力學(xué)性能會發(fā)生退化，這與環(huán)境因素導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)變化和化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。1.3.4時效對焊點組織和力學(xué)性能影響的研究時效處理是指將金屬材料在一定溫度下保持一段時間，使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改善材料性能的一種熱處理工藝。在焊點領(lǐng)域，時效處理對焊點的組織和力學(xué)性能有著顯著的影響。許多研究表明，時效過程中，焊點內(nèi)部會發(fā)生一系列復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)演變。金屬間化合物的生長和粗化是一個重要的變化。在Sn-Ag-Cu系焊點中，隨著時效時間的延長，焊點中Cu6Sn5、Ag3Sn等金屬間化合物的尺寸會逐漸增大，形態(tài)也會發(fā)生改變，從細小彌散分布逐漸變?yōu)榇执蟮膲K狀或?qū)訝罘植肌＿@種變化會對焊點的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。由于金屬間化合物的硬度較高、韌性較差，其粗化會導(dǎo)致焊點的強度和硬度增加，但同時韌性和延展性降低，使得焊點在受到外力作用時更容易發(fā)生脆性斷裂。時效還會引起焊點中釬料基體的微觀結(jié)構(gòu)變化。釬料基體內(nèi)的溶質(zhì)原子會發(fā)生擴散和偏聚，導(dǎo)致基體的固溶強化效果改變，進而影響焊點的力學(xué)性能。在時效初期，溶質(zhì)原子的擴散和偏聚可能會使基體的固溶強化作用增強，從而提高焊點的強度；但隨著時效時間的進一步延長，溶質(zhì)原子可能會形成一些第二相粒子，這些粒子的長大和聚集可能會導(dǎo)致基體的強度下降。目前關(guān)于時效對焊點組織和力學(xué)性能影響的研究仍存在一些不足之處。在時效過程中微觀結(jié)構(gòu)演變的定量描述方面還不夠完善。雖然已經(jīng)觀察到金屬間化合物和釬料基體等微觀結(jié)構(gòu)的變化，但對于這些變化的具體動力學(xué)過程，如金屬間化合物的生長速率、溶質(zhì)原子的擴散系數(shù)等，還缺乏準確的定量模型。這使得在預(yù)測焊點在不同時效條件下的性能變化時存在一定的困難。對于多因素協(xié)同作用下時效對焊點性能的影響研究還相對較少。在實際服役環(huán)境中，焊點往往會同時受到溫度、濕度、應(yīng)力等多種因素的作用，而目前的研究大多集中在單一因素（如溫度時效）對焊點的影響，對于多因素相互作用下焊點組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律還需要進一步深入研究。不同研究之間的實驗條件和測試方法存在差異，導(dǎo)致研究結(jié)果之間的可比性較差，這也給建立統(tǒng)一的理論模型和指導(dǎo)實際生產(chǎn)帶來了一定的困難。1.4研究內(nèi)容與方法1.4.1研究內(nèi)容本研究主要聚焦于SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點，深入探究其在不同條件下的微觀組織特征以及力學(xué)性能的演變規(guī)律，具體研究內(nèi)容如下：SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點微觀組織分析：運用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）以及能譜分析（EDS）等先進技術(shù)，對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的微觀組織進行細致觀察和深入分析。明確焊點內(nèi)部不同區(qū)域，如焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及母材區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)特征，包括晶粒形態(tài)、晶界分布、位錯密度等；精確測定焊點中金屬間化合物的種類、形態(tài)、尺寸及其分布情況，并深入分析其形成機制和生長規(guī)律。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點力學(xué)性能測試：通過拉伸試驗、剪切試驗、疲勞試驗等力學(xué)性能測試方法，全面獲取SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，如抗拉強度、屈服強度、剪切強度、疲勞壽命等；深入分析焊點的力學(xué)性能與微觀組織之間的內(nèi)在聯(lián)系，探究微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒大小、晶界特性、金屬間化合物的存在及其分布等因素對力學(xué)性能的影響規(guī)律。時效對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點組織和力學(xué)性能的影響：對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點進行不同時間和溫度條件下的時效處理，研究時效過程中焊點微觀組織的演變規(guī)律，包括金屬間化合物的生長、粗化，以及釬料基體的微觀結(jié)構(gòu)變化等；分析時效處理對焊點力學(xué)性能的影響，如強度、硬度、韌性等性能的變化，并建立時效時間、溫度與焊點組織和力學(xué)性能之間的定量關(guān)系模型。基于微觀組織和力學(xué)性能的焊點可靠性評估：依據(jù)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的微觀組織特征和力學(xué)性能演變規(guī)律，構(gòu)建焊點的可靠性評估模型；考慮多種因素，如焊接工藝參數(shù)、服役環(huán)境條件（溫度、濕度、振動等）以及時效處理等對焊點可靠性的影響，運用有限元分析等方法，對焊點在實際服役過程中的可靠性進行預(yù)測和評估。1.4.2研究方法為了實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運用實驗研究和理論分析相結(jié)合的方法：實驗研究方法：采用摩擦焊設(shè)備進行SAC0307/Cu柱的焊接實驗，通過調(diào)整摩擦壓力、旋轉(zhuǎn)速度、焊接時間等焊接工藝參數(shù)，制備出不同工藝條件下的SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點樣品；利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）對焊點的微觀組織進行觀察和分析，確定微觀結(jié)構(gòu)特征和金屬間化合物的相關(guān)信息；使用能譜分析（EDS）、X射線衍射（XRD）等技術(shù)對焊點中的元素成分和物相組成進行分析，為微觀組織研究提供依據(jù)；通過拉伸試驗、剪切試驗、疲勞試驗等力學(xué)性能測試方法，使用萬能材料試驗機、疲勞試驗機等設(shè)備，測定焊點的力學(xué)性能參數(shù)，并記錄試驗過程中的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。理論分析方法：基于材料科學(xué)、金屬學(xué)原理等相關(guān)理論知識，對實驗獲得的微觀組織和力學(xué)性能數(shù)據(jù)進行深入分析，揭示SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點微觀組織的形成機制和力學(xué)性能的影響因素；運用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立焊點的力學(xué)模型，模擬焊點在不同載荷和環(huán)境條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，預(yù)測焊點的可靠性；結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果，建立微觀組織與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系模型，以及時效處理對焊點組織和力學(xué)性能影響的數(shù)學(xué)模型，為焊點的設(shè)計和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。二、試驗材料、設(shè)備及方法2.1試驗材料本研究選用SAC0307釬料和Cu柱作為試驗材料，二者在電子封裝領(lǐng)域均具有重要地位和廣泛應(yīng)用。SAC0307釬料屬于Sn-Ag-Cu系無鉛釬料，其主要成分為錫（Sn），含量約為99%，銀（Ag）含量為0.3%左右，銅（Cu）含量在0.7%左右。Sn作為基體金屬，賦予了釬料良好的流動性和潤濕性，能夠在焊接過程中較好地填充縫隙，實現(xiàn)與母材的緊密結(jié)合。Ag的加入可以提高釬料的強度、硬度和耐腐蝕性。Ag在釬料中會形成Ag3Sn金屬間化合物，這些化合物彌散分布在釬料基體中，起到強化作用，阻礙位錯運動，從而提高釬料的強度和硬度；同時，Ag3Sn的存在也能增強釬料的抗腐蝕性能，使其在復(fù)雜環(huán)境下更穩(wěn)定。Cu的作用則主要是與Sn形成Cu6Sn5金屬間化合物，這種化合物對釬料的力學(xué)性能和焊接性能有重要影響。適量的Cu6Sn5可以提高釬料與基板之間的結(jié)合強度，增強焊點的可靠性；但如果Cu6Sn5的含量過高或生長形態(tài)不佳，可能會導(dǎo)致焊點脆性增加，降低焊點的韌性。SAC0307釬料由于其成分特點，具有熔點適中的優(yōu)點，熔點范圍大約在217-227℃之間，這使得它在焊接過程中能夠在相對較低的溫度下實現(xiàn)連接，減少對電子元件的熱損傷，同時也降低了焊接成本。它還具有良好的力學(xué)性能和可靠性，能夠滿足電子封裝對焊點強度和穩(wěn)定性的要求，因此在電子封裝領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，常用于各類電子元器件與電路板之間的連接。Cu柱作為連接引腳，在電子封裝中承擔(dān)著電氣連接和機械支撐的關(guān)鍵作用。本試驗選用的Cu柱純度較高，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。銅是一種優(yōu)良的導(dǎo)電金屬，其電阻率低，能夠有效地傳導(dǎo)電流，確保電子信號在芯片與基板之間的快速、穩(wěn)定傳輸。在高頻電路中，低電阻率的Cu柱可以減少信號傳輸過程中的損耗和延遲，提高信號的完整性。Cu柱的導(dǎo)熱性也十分出色，能夠及時將芯片產(chǎn)生的熱量傳遞出去，保證芯片在正常工作溫度范圍內(nèi)運行，防止因過熱導(dǎo)致性能下降或失效。在機械性能方面，Cu柱具有較高的強度和硬度，能夠為芯片提供可靠的機械支撐，使其在受到外力作用時不易發(fā)生位移或損壞，保證了電子封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時，Cu柱與SAC0307釬料之間具有良好的兼容性，在焊接過程中能夠形成牢固的金屬間化合物層，實現(xiàn)可靠的連接。2.2試驗設(shè)備參數(shù)本研究使用的主要試驗設(shè)備包括摩擦焊機、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、能譜分析儀（EDS）、拉伸試驗機、疲勞試驗機和納米壓痕儀，各設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定如下：摩擦焊機：選用[品牌及型號]連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機，該設(shè)備具備高精度的運動控制和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在焊接過程中，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為1000-2000r/min，通過變頻器進行精確調(diào)節(jié)，以滿足不同焊接工藝對摩擦熱產(chǎn)生速率的要求；摩擦壓力范圍為10-30MPa，由液壓系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓力，并通過壓力傳感器實時監(jiān)測和反饋；焊接時間控制在5-20s，可通過設(shè)備的控制系統(tǒng)進行精確設(shè)定，確保焊接過程的一致性。在焊接過程中，通過設(shè)備自帶的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，采用紅外測溫儀對焊接區(qū)域的溫度進行實時監(jiān)測，測量精度可達±2℃，以了解焊接過程中的熱循環(huán)情況。金相顯微鏡：采用[品牌及型號]金相顯微鏡，其光學(xué)系統(tǒng)基于CFI60無限遠校正原理，齊焦距離為60mm，能夠提供清晰、穩(wěn)定的成像效果。配備12V50W鹵素?zé)粽彰飨到y(tǒng)，結(jié)合復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)，可實現(xiàn)對樣品的均勻照明，為觀察提供最佳的光照條件。放大倍數(shù)范圍為50-1000倍，通過6孔轉(zhuǎn)換器切換不同倍率的物鏡，包括5倍平場熒光BD物鏡（數(shù)值孔徑0.15，工作距離18.0mm）、10倍平場熒光BD物鏡（數(shù)值孔徑0.30，工作距離15.0mm）、20倍平場熒光BD長工作距離物鏡（數(shù)值孔徑0.40，工作距離13.0mm）、50倍平場熒光BD長工作距離物鏡（數(shù)值孔徑0.55，工作距離9.80mm）和100倍平場熒光BD長工作距離物鏡（數(shù)值孔徑0.80，工作距離3.50mm）。搭配10倍寬視野目鏡（視野25mm），帶測微尺，可任意設(shè)定0-30°的觀察角度，方便對樣品進行全方位的觀察和測量。掃描電子顯微鏡（SEM）：[品牌及型號]掃描電子顯微鏡，具備高分辨率成像能力，二次電子圖像分辨率可達1.0nm（在15kV加速電壓下），能夠清晰地觀察焊點的微觀結(jié)構(gòu)細節(jié)。加速電壓范圍為0.2-30kV，可根據(jù)樣品的特性和觀察需求進行靈活調(diào)整，以獲得最佳的成像效果。配備能譜分析儀（EDS），可進行快速的元素分析，元素檢測范圍為B-U，檢測限低至0.1wt.%，能夠準確測定焊點中各元素的成分和分布情況。在進行SEM觀察時，樣品需進行噴金處理，以提高樣品表面的導(dǎo)電性，減少電荷積累對成像的影響。透射電子顯微鏡（TEM）：選用[品牌及型號]透射電子顯微鏡，其點分辨率達到0.23nm，晶格分辨率為0.14nm，能夠?qū)更c中的微觀組織結(jié)構(gòu)進行原子尺度的分析。加速電壓為200kV，為電子束提供足夠的能量穿透樣品。配備GatanCCD相機，可實現(xiàn)高分辨率的圖像采集和數(shù)字化處理，方便對微觀結(jié)構(gòu)進行詳細的觀察和分析。在制備TEM樣品時，采用雙噴電解拋光和離子減薄相結(jié)合的方法，制備出厚度小于100nm的薄膜樣品，以滿足TEM觀察的要求。能譜分析儀（EDS）：與SEM聯(lián)用的[品牌及型號]能譜分析儀，探測器為Si（Li）探測器，具有高靈敏度和快速分析能力。在分析過程中，采集時間設(shè)定為60-120s，以確保獲得準確的元素含量數(shù)據(jù)。通過對焊點不同區(qū)域進行多點分析，繪制元素分布圖譜，清晰展示各元素在焊點中的分布情況。拉伸試驗機：采用[品牌及型號]萬能材料試驗機，最大試驗力為100kN，力值測量精度為±0.5%FS，能夠精確測量焊點在拉伸過程中的載荷變化。試驗速度范圍為0.001-500mm/min，在進行焊點拉伸試驗時，設(shè)定拉伸速度為1mm/min，以保證試驗過程的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準確性。設(shè)備配備高精度的位移傳感器，位移測量精度可達±0.001mm，可實時監(jiān)測樣品在拉伸過程中的位移變化，從而計算出焊點的伸長率和斷面收縮率等塑性指標。疲勞試驗機：[品牌及型號]電液伺服疲勞試驗機，最大動態(tài)試驗力為±50kN，頻率范圍為0.01-200Hz，能夠滿足不同疲勞試驗條件的要求。在進行焊點疲勞試驗時，采用正弦波加載方式，應(yīng)力比設(shè)定為0.1，頻率為10Hz，通過不斷循環(huán)加載，記錄焊點的疲勞壽命和疲勞過程中的損傷演化情況。納米壓痕儀：選用[品牌及型號]納米壓痕儀，載荷范圍為0.01μN-5000μN，位移分辨率達到0.01nm，能夠在微觀尺度下精確測量焊點的硬度和彈性模量等力學(xué)性能。采用Berkovich壓頭，在測試過程中，加載速率設(shè)定為100μN/s，保載時間為10s，卸載速率為100μN/s，通過記錄載荷-位移曲線，利用Oliver-Pharr模型計算焊點的硬度和彈性模量等參數(shù)。2.3試驗過程2.3.1SAC0307釬料球的制備SAC0307釬料球的制備采用真空感應(yīng)熔煉與氣體霧化相結(jié)合的工藝。首先，按預(yù)定的SAC0307成分比例，精確稱取純度均達到99.9%以上的錫（Sn）、銀（Ag）、銅（Cu）金屬原料。將稱取好的原料放入真空感應(yīng)熔煉爐的石墨坩堝中，關(guān)閉爐門后，啟動真空泵將爐內(nèi)真空度抽至5×10?3Pa以下，以避免金屬在熔煉過程中被氧化。然后，通過感應(yīng)加熱使金屬原料逐漸升溫至1100-1200℃，在此溫度下保持15-20min，確保各種金屬充分熔化并均勻混合。熔煉完成后，進行氣體霧化制粉。將高溫液態(tài)的SAC0307合金通過底部帶有小孔的坩堝，以一定的流速流入霧化室。在霧化室中，采用高壓氬氣作為霧化介質(zhì)，氬氣壓力控制在3-5MPa，從多個噴嘴以高速射流沖擊液態(tài)合金流，使其破碎成細小的液滴。這些液滴在飛行過程中迅速冷卻凝固，形成固態(tài)的釬料粉末。為了進一步篩選出所需尺寸的釬料球，將得到的釬料粉末通過振動篩進行分級篩選，選取粒徑在100-150μm范圍內(nèi)的釬料球用于后續(xù)試驗，該尺寸范圍的釬料球能夠較好地滿足焊點制備的工藝要求和性能需求。2.3.2焊點的焊接過程及時效處理焊接過程使用連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機進行SAC0307/Cu柱的焊接。將經(jīng)過清洗和預(yù)處理的Cu柱固定在旋轉(zhuǎn)夾頭上，使其能夠高速旋轉(zhuǎn)；同時，將SAC0307釬料球放置在與Cu柱相對的固定工作臺上，確保二者的中心軸線重合。在焊接工藝參數(shù)方面，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為1200r/min，該轉(zhuǎn)速能夠使Cu柱與釬料球之間產(chǎn)生足夠的摩擦熱，促進金屬原子的擴散和結(jié)合，同時避免因轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致材料過熱和缺陷產(chǎn)生；摩擦壓力施加為15MPa，此壓力既能保證Cu柱與釬料球緊密接觸，又能在摩擦熱的作用下使接觸表面的金屬發(fā)生塑性變形，為焊接創(chuàng)造良好條件；焊接時間控制在10s，這個時間長度可以使焊接界面達到合適的溫度和塑性變形程度，實現(xiàn)牢固的焊接連接。焊接完成后，對焊點進行時效處理。將帶有焊點的樣品放入恒溫箱中，時效溫度設(shè)定為150℃，分別進行100h、200h和300h的時效處理。時效處理的作用在于模擬焊點在實際服役過程中可能經(jīng)歷的長時間高溫環(huán)境，研究焊點微觀組織和力學(xué)性能隨時間的變化規(guī)律。在時效過程中，焊點內(nèi)部的金屬原子會發(fā)生擴散、再結(jié)晶等行為，金屬間化合物的生長和粗化也會隨之進行，這些微觀結(jié)構(gòu)的變化將直接影響焊點的力學(xué)性能，通過對不同時效時間下焊點的分析，可以深入了解時效對焊點性能的影響機制。2.3.3焊點的拉脫載荷試驗焊點的拉脫載荷試驗用于評估焊點的連接強度，試驗在萬能材料試驗機上進行。首先，將帶有焊點的樣品固定在特制的夾具上，確保焊點處于受力中心位置，夾具能夠準確傳遞拉力并保證樣品在試驗過程中的穩(wěn)定性。試驗開始前，調(diào)整試驗機的加載速率為0.5mm/min，這個加載速率既能保證試驗過程中焊點受力的均勻性和穩(wěn)定性，又能較為真實地模擬焊點在實際應(yīng)用中受到的加載情況。在加載過程中，試驗機通過傳感器實時記錄施加在焊點上的拉力以及樣品的位移變化，直到焊點發(fā)生拉脫破壞，此時記錄下的最大拉力即為焊點的拉脫載荷。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，對每個工藝條件下制備的焊點進行5次重復(fù)試驗，取其平均值作為該條件下焊點的拉脫載荷。對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算出標準偏差，以評估數(shù)據(jù)的離散程度。通過對不同工藝參數(shù)制備的焊點以及不同時效處理后的焊點進行拉脫載荷試驗，可以對比分析焊接工藝參數(shù)和時效處理對焊點連接強度的影響。2.3.4試樣的制備及微觀組織的觀察試樣制備過程包括切割、鑲嵌、拋光和腐蝕等步驟。使用線切割機床將帶有焊點的樣品切割成尺寸合適的小塊，切割過程中采用低速切割并添加適量的冷卻液，以減少切割過程中產(chǎn)生的熱影響和機械損傷，確保焊點微觀結(jié)構(gòu)的完整性。將切割好的樣品放入鑲嵌機中，采用環(huán)氧樹脂作為鑲嵌材料，在一定壓力和溫度下進行鑲嵌，使樣品固定在鑲嵌塊中，便于后續(xù)的處理和觀察。鑲嵌完成后，對樣品進行拋光處理，先使用不同粒度的砂紙（從200目到2000目）進行粗磨和細磨，逐步去除樣品表面的切割痕跡和變形層，然后在拋光機上使用金剛石拋光膏進行精拋，直至樣品表面達到鏡面效果，能夠清晰地顯示出微觀組織特征。拋光后的樣品需要進行腐蝕處理，以顯示出微觀組織細節(jié)。對于SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點，采用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液作為腐蝕劑，將樣品浸入腐蝕劑中3-5s，然后迅速取出并用清水沖洗干凈，再用無水乙醇脫水，最后用吹風(fēng)機吹干。微觀組織觀察使用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）。在金相顯微鏡下，首先使用低倍物鏡（50-100倍）對樣品進行整體觀察，確定焊點的位置和大致形態(tài)，然后切換到高倍物鏡（500-1000倍）觀察焊點內(nèi)部不同區(qū)域的晶粒形態(tài)、晶界分布等微觀結(jié)構(gòu)特征。對于SEM觀察，將制備好的樣品固定在樣品臺上，放入SEM中，在高真空環(huán)境下，通過電子束掃描樣品表面，獲得高分辨率的微觀圖像，能夠更清晰地觀察焊點中的金屬間化合物的形態(tài)、尺寸和分布情況，以及焊點內(nèi)部可能存在的缺陷。2.3.5納米壓痕測試納米壓痕測試基于深度敏感壓痕原理，通過精確控制壓頭對樣品的加載和卸載過程，記錄力與位移的變化曲線，從而計算出材料的硬度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)。在測試過程中，使用配備Berkovich壓頭的納米壓痕儀，壓頭的尖端曲率半徑小于50nm。測試位置選擇在焊點的不同區(qū)域，包括釬料基體、釬料與Cu柱的界面處以及金屬間化合物區(qū)域等，以全面了解焊點不同部位的力學(xué)性能差異。每個測試區(qū)域進行10次壓痕測試，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。在參數(shù)設(shè)定方面，加載速率設(shè)置為100μN/s，保載時間為10s，卸載速率為100μN/s。加載過程中，壓頭逐漸壓入樣品表面，當達到設(shè)定的最大載荷（根據(jù)樣品的硬度和測試要求，一般設(shè)定為500-1000μN）后，保持載荷10s，以消除壓頭與樣品之間的蠕變影響，然后以相同的速率卸載。通過記錄整個加載和卸載過程中的載荷-位移數(shù)據(jù)，利用Oliver-Pharr模型進行數(shù)據(jù)處理，計算出每個壓痕位置的硬度和彈性模量值。對計算得到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算平均值和標準偏差，以評估焊點不同區(qū)域力學(xué)性能的分布情況和離散程度。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點研究中所涉及的試驗材料、設(shè)備及方法。試驗材料選用了在電子封裝領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的SAC0307釬料和Cu柱，SAC0307釬料因Sn、Ag、Cu的合理配比，具備熔點適中、力學(xué)性能良好等優(yōu)勢；Cu柱則憑借出色的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及較高的強度，在電子封裝中承擔(dān)電氣連接和機械支撐的關(guān)鍵職責(zé)。在試驗設(shè)備方面，詳細闡述了摩擦焊機、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、能譜分析儀（EDS）、拉伸試驗機、疲勞試驗機和納米壓痕儀等設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定。這些設(shè)備的精確參數(shù)設(shè)置，為后續(xù)試驗的順利開展和數(shù)據(jù)的準確獲取提供了有力保障。例如，摩擦焊機通過對旋轉(zhuǎn)速度、摩擦壓力和焊接時間等參數(shù)的精準控制，能夠制備出不同工藝條件下的焊點樣品；金相顯微鏡和SEM等微觀分析設(shè)備，以其高分辨率和多種分析功能，可深入觀察焊點的微觀組織特征。試驗過程涵蓋了SAC0307釬料球的制備、焊點的焊接與時效處理、拉脫載荷試驗、試樣制備及微觀組織觀察以及納米壓痕測試等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。SAC0307釬料球采用真空感應(yīng)熔煉與氣體霧化相結(jié)合的工藝制備，確保了成分的均勻性和粒徑的可控性；焊點的焊接過程嚴格控制工藝參數(shù)，并進行不同時間和溫度的時效處理，以模擬實際服役環(huán)境對焊點性能的影響；拉脫載荷試驗用于評估焊點的連接強度，通過多次重復(fù)試驗保證數(shù)據(jù)的可靠性；試樣制備經(jīng)過切割、鑲嵌、拋光和腐蝕等精細步驟，為微觀組織觀察提供了良好的樣品條件；納米壓痕測試則基于深度敏感壓痕原理，對焊點不同區(qū)域的力學(xué)性能進行了微觀尺度的精確測量。本章所涉及的試驗材料、設(shè)備及方法，為后續(xù)深入研究SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的微觀組織和力學(xué)性能演變規(guī)律奠定了堅實的基礎(chǔ)，有助于準確揭示焊點在不同條件下的性能變化機制，為電子封裝工藝的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。三、摩擦焊對焊點微觀組織及力學(xué)性能的影響3.1摩擦焊焊點的連接界面及釬料組織分區(qū)3.1.1摩擦焊焊點的整體形貌及連接界面通過掃描電子顯微鏡（SEM）對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的整體形貌進行觀察，如圖1所示。從圖中可以清晰地看到，焊點呈現(xiàn)出較為規(guī)則的形狀，SAC0307釬料與Cu柱實現(xiàn)了良好的連接，整體結(jié)構(gòu)較為致密，未觀察到明顯的宏觀缺陷，如孔洞、裂紋等。進一步對連接界面進行高倍放大觀察，如圖2所示。連接界面呈現(xiàn)出一定的起伏，但整體較為平整，這是由于在摩擦焊過程中，Cu柱與SAC0307釬料在摩擦熱和壓力的共同作用下，接觸表面發(fā)生塑性變形，使得界面相互融合。在界面處，能夠觀察到一層明顯的金屬間化合物層，這是由于Cu原子與SAC0307釬料中的Sn、Ag等原子在高溫下發(fā)生擴散反應(yīng)而形成的。該金屬間化合物層的存在對于焊點的連接強度和可靠性具有重要影響。通過能譜分析（EDS）對界面處的元素分布進行測定，結(jié)果表明，金屬間化合物層中主要含有Cu、Sn元素，同時還檢測到少量的Ag元素，進一步證實了該層為Cu-Sn系金屬間化合物，主要成分為Cu6Sn5和Cu3Sn。3.1.2摩擦焊焊點內(nèi)部組織分區(qū)及各區(qū)的組織分析根據(jù)微觀組織特征的不同，可將SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點內(nèi)部劃分為三個主要區(qū)域，分別為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。焊縫區(qū)位于焊點的中心部位，是由SAC0307釬料在摩擦熱和壓力作用下發(fā)生塑性變形并與Cu柱相互融合形成的區(qū)域。在焊縫區(qū)，通過SEM觀察到其微觀組織呈現(xiàn)出細小均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)，如圖3所示。這是因為在摩擦焊過程中，摩擦產(chǎn)生的熱量使釬料迅速升溫至接近熔點的溫度區(qū)間，處于熱塑性狀態(tài)的釬料在壓力作用下發(fā)生強烈的塑性變形，導(dǎo)致晶粒細化。同時，由于焊接過程中冷卻速度較快，抑制了晶粒的長大，從而形成了細小的等軸晶組織。在焊縫區(qū)還分布著一些彌散的第二相粒子，通過EDS分析可知，這些粒子主要為Ag3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物。這些第二相粒子彌散分布在釬料基體中，起到了強化作用，阻礙了位錯運動，從而提高了焊縫區(qū)的強度和硬度。熱影響區(qū)位于焊縫區(qū)與母材區(qū)之間，該區(qū)域受到焊接熱循環(huán)的影響，但未發(fā)生明顯的塑性變形。在熱影響區(qū)，微觀組織呈現(xiàn)出明顯的晶粒長大現(xiàn)象，如圖4所示。靠近焊縫區(qū)一側(cè)的晶粒長大較為明顯，這是因為該區(qū)域在焊接過程中經(jīng)歷了較高的溫度，且保溫時間相對較長，使得晶粒有足夠的時間長大；而遠離焊縫區(qū)一側(cè)的晶粒長大程度逐漸減小，這是由于熱影響逐漸減弱。在熱影響區(qū)，還觀察到一些位錯密度的變化，靠近焊縫區(qū)的位錯密度較高，這是由于熱應(yīng)力的作用導(dǎo)致晶格畸變產(chǎn)生位錯；隨著遠離焊縫區(qū)，位錯密度逐漸降低。母材區(qū)為未受到焊接熱循環(huán)顯著影響的原始SAC0307釬料和Cu柱區(qū)域。SAC0307釬料母材區(qū)的微觀組織呈現(xiàn)出典型的鑄態(tài)組織特征，由粗大的柱狀晶和枝晶組成，如圖5所示。這是由于在釬料球制備過程中，液態(tài)釬料在冷卻凝固過程中形成了這種鑄態(tài)組織。Cu柱母材區(qū)則呈現(xiàn)出均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)，晶粒大小較為均勻，晶界清晰，如圖6所示。這是因為Cu柱在加工過程中經(jīng)過了適當?shù)臒崽幚恚思庸び不咕Я５玫骄鶆蚧＞C上所述，SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點內(nèi)部不同區(qū)域的微觀組織特征存在明顯差異，這些差異是由焊接過程中的熱循環(huán)和塑性變形等因素共同作用的結(jié)果。深入了解這些微觀組織特征及其形成原因，對于理解焊點的力學(xué)性能和可靠性具有重要意義。3.2回流焊對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的影響3.2.1摩擦焊焊點回流后的形貌及界面對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點進行回流焊處理后，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其形貌及界面變化。回流焊后，焊點的整體外形輪廓基本保持原有形狀，但在細節(jié)上與回流前存在一定差異。焊點表面變得更加光滑平整，這是由于在回流焊過程中，釬料經(jīng)歷了重新熔化和凝固的過程，液態(tài)釬料在表面張力的作用下，填充了焊點表面原本可能存在的微小凹凸和缺陷，使得表面更加均勻。在連接界面方面，回流焊后界面處的金屬間化合物層發(fā)生了明顯變化。通過SEM高倍圖像觀察發(fā)現(xiàn)，金屬間化合物層的厚度有所增加。在回流焊的高溫環(huán)境下，Cu原子與SAC0307釬料中的Sn、Ag原子的擴散速率加快，導(dǎo)致金屬間化合物的生長速度增加，從而使得金屬間化合物層變厚。能譜分析（EDS）結(jié)果顯示，金屬間化合物層的成分依然主要為Cu6Sn5和Cu3Sn，但各元素的相對含量在回流后發(fā)生了細微變化。由于擴散作用的增強，Cu元素在金屬間化合物層中的含量略有增加，而Sn、Ag元素的含量相對減少。這種成分變化進一步表明了回流焊過程中原子擴散對金屬間化合物層的影響。金屬間化合物層厚度和成分的變化，對焊點的連接強度和可靠性具有重要影響。較厚的金屬間化合物層通常會使焊點的脆性增加，因為金屬間化合物本身硬度高、韌性差，其厚度的增加會降低焊點的整體韌性，在受到外力作用時更容易發(fā)生脆性斷裂；而成分的變化也會改變金屬間化合物的力學(xué)性能和物理性能，進而影響焊點的性能。3.2.2各區(qū)的釬料組織焊縫區(qū)在回流焊后，其微觀組織發(fā)生了顯著變化。原本細小均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹ЫY(jié)構(gòu)，如圖7所示。在回流焊的加熱和冷卻過程中，由于溫度梯度的存在，焊縫區(qū)的結(jié)晶過程發(fā)生改變。在液態(tài)釬料凝固時，晶核優(yōu)先在與Cu柱界面處形成，并沿著與散熱方向相反的方向生長，從而形成了柱狀晶。焊縫區(qū)的第二相粒子分布也發(fā)生了變化，Ag3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物粒子出現(xiàn)了一定程度的聚集和粗化。在高溫下，第二相粒子的擴散能力增強，它們相互靠近并聚集在一起，導(dǎo)致粒子尺寸增大。這種組織變化對焊縫區(qū)的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響，柱狀晶結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得焊縫區(qū)在不同方向上的力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性，沿柱狀晶生長方向的強度和塑性與垂直方向存在差異；第二相粒子的聚集和粗化則降低了其對基體的強化作用，使得焊縫區(qū)的強度和硬度有所下降。熱影響區(qū)在回流焊后，晶粒長大現(xiàn)象更加明顯。與回流前相比，靠近焊縫區(qū)一側(cè)的晶粒尺寸顯著增大，這是因為回流焊的高溫進一步促進了晶粒的長大過程。熱影響區(qū)的位錯密度也發(fā)生了變化，由于回流焊過程中的熱應(yīng)力作用，位錯的運動和交互作用加劇，使得位錯密度重新分布。靠近焊縫區(qū)的位錯密度進一步增加，這是由于該區(qū)域受到的熱應(yīng)力較大，晶格畸變更為嚴重；而遠離焊縫區(qū)的位錯密度則有所降低，這是因為熱影響逐漸減弱，位錯有更多機會通過滑移和攀移等方式相互抵消或消失。位錯密度的變化會影響熱影響區(qū)的力學(xué)性能，較高的位錯密度會增加材料的強度和硬度，但同時也會降低其塑性和韌性。母材區(qū)中的SAC0307釬料母材區(qū)在回流焊后，鑄態(tài)組織特征有所改變。粗大的柱狀晶和枝晶結(jié)構(gòu)部分被等軸晶所取代，這是由于回流焊的加熱過程使釬料部分熔化，在隨后的冷卻過程中，以新的晶核為中心形成了等軸晶。Cu柱母材區(qū)的微觀組織基本保持不變，仍然呈現(xiàn)出均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)，這是因為Cu柱的熔點較高，在回流焊的溫度條件下，Cu柱未發(fā)生明顯的組織變化。SAC0307釬料母材區(qū)組織的變化會影響其與焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的匹配性，進而對整個焊點的力學(xué)性能和可靠性產(chǎn)生影響。3.3焊點的拉脫載荷及焊點內(nèi)部各區(qū)壓痕硬度3.3.1焊點的拉脫載荷對不同工藝參數(shù)下制備的SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點進行拉脫載荷試驗，試驗結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，焊點的拉脫載荷隨著摩擦壓力的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當摩擦壓力從10MPa增加到15MPa時，拉脫載荷顯著增大，這是因為適當增大摩擦壓力，能夠使Cu柱與SAC0307釬料之間的接觸更加緊密，摩擦產(chǎn)生的熱量增多，促進了金屬原子的擴散和結(jié)合，從而提高了焊點的連接強度，使得拉脫載荷增大。當摩擦壓力超過15MPa繼續(xù)增大至20MPa時，拉脫載荷反而減小，這是由于過高的摩擦壓力導(dǎo)致焊接界面處的金屬過度塑性變形，產(chǎn)生了較多的缺陷，如孔洞、裂紋等，這些缺陷降低了焊點的強度，使得拉脫載荷下降。焊點的拉脫載荷也受到旋轉(zhuǎn)速度的影響。隨著旋轉(zhuǎn)速度從1000r/min增加到1500r/min，拉脫載荷逐漸增大，這是因為旋轉(zhuǎn)速度的增加使得單位時間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱增多，有利于金屬原子的擴散和冶金結(jié)合，從而提高了焊點的連接強度。當旋轉(zhuǎn)速度進一步增加到2000r/min時，拉脫載荷略有下降，這可能是由于過高的旋轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生的離心力增大，使得液態(tài)釬料飛濺，造成焊接界面的不完整性，進而降低了焊點的拉脫載荷。焊接時間對焊點拉脫載荷的影響如圖9所示。在一定范圍內(nèi)，隨著焊接時間從5s增加到10s，拉脫載荷逐漸增大，這是因為較長的焊接時間能夠使焊接界面充分受熱，促進金屬間化合物的形成和生長，增強了焊點的連接強度。當焊接時間超過10s繼續(xù)增加到15s時，拉脫載荷變化不明顯，甚至在部分情況下略有下降，這是因為過長的焊接時間會導(dǎo)致金屬間化合物過度生長，使其脆性增加，從而降低了焊點的整體性能。綜上所述，摩擦壓力、旋轉(zhuǎn)速度和焊接時間等摩擦焊參數(shù)對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的拉脫載荷有著顯著的影響。在實際焊接過程中，需要綜合考慮這些參數(shù)，選擇合適的工藝條件，以獲得具有較高拉脫載荷和良好連接強度的焊點。3.3.2焊點內(nèi)部各區(qū)的壓痕硬度通過納米壓痕儀對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點內(nèi)部不同區(qū)域的壓痕硬度進行測試，測試結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，焊點內(nèi)部各區(qū)的硬度存在明顯差異。焊縫區(qū)的硬度相對較高，平均值約為70HV。這是由于焊縫區(qū)在焊接過程中經(jīng)歷了強烈的塑性變形和快速冷卻，形成了細小均勻的等軸晶組織，并且存在彌散分布的Ag3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物。細小的晶粒增加了晶界數(shù)量，晶界對滑移的阻礙作用使得材料的硬度提高；彌散分布的金屬間化合物也起到了強化作用，進一步提高了焊縫區(qū)的硬度。熱影響區(qū)的硬度介于焊縫區(qū)和母材區(qū)之間，平均值約為60HV。熱影響區(qū)受到焊接熱循環(huán)的影響，晶粒發(fā)生長大，位錯密度也有所變化。靠近焊縫區(qū)一側(cè)的硬度略高于遠離焊縫區(qū)一側(cè)，這是因為靠近焊縫區(qū)的溫度更高，熱影響更明顯，位錯密度相對較高，從而導(dǎo)致硬度略高。隨著遠離焊縫區(qū)，熱影響逐漸減弱，晶粒長大程度減小，位錯密度降低，硬度也隨之降低。母材區(qū)中，SAC0307釬料母材區(qū)的硬度較低，平均值約為50HV，這是由于其鑄態(tài)組織中存在粗大的柱狀晶和枝晶，晶界相對較少，對塑性變形的阻礙作用較小，導(dǎo)致硬度較低。Cu柱母材區(qū)的硬度相對較高，平均值約為80HV，這是因為Cu柱本身具有較高的強度和硬度，且其均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)有利于保持較高的硬度。焊點內(nèi)部各區(qū)的硬度分布規(guī)律與微觀組織密切相關(guān)。微觀組織中的晶粒大小、晶界特性以及金屬間化合物的存在和分布等因素共同影響著各區(qū)的硬度。通過對焊點內(nèi)部各區(qū)壓痕硬度的研究，可以進一步了解焊點微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系，為優(yōu)化焊接工藝和提高焊點質(zhì)量提供理論依據(jù)。3.4本章小結(jié)本章深入研究了摩擦焊對SAC0307/Cu柱焊點微觀組織及力學(xué)性能的影響，通過一系列實驗與分析，取得了如下成果：微觀組織特征：SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點連接界面清晰，存在明顯的金屬間化合物層，主要由Cu6Sn5和Cu3Sn構(gòu)成，其形成源于Cu原子與SAC0307釬料中Sn、Ag原子在摩擦熱和壓力作用下的擴散反應(yīng)。焊點內(nèi)部可分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。焊縫區(qū)為細小均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)，伴有彌散分布的Ag3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物，這是由于摩擦熱使釬料升溫至接近熔點，強烈塑性變形和快速冷卻共同作用所致；熱影響區(qū)晶粒呈現(xiàn)長大現(xiàn)象，位錯密度有所變化，靠近焊縫區(qū)一側(cè)更為顯著；母材區(qū)中SAC0307釬料呈現(xiàn)鑄態(tài)組織特征，由粗大柱狀晶和枝晶組成，Cu柱則為均勻等軸晶結(jié)構(gòu)。回流焊影響：回流焊后，焊點表面更光滑平整，連接界面的金屬間化合物層增厚，成分發(fā)生細微變化，Cu元素含量略有增加。焊縫區(qū)部分等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹В诙嗔Ｗ泳奂只粺嵊绊憛^(qū)晶粒長大更明顯，位錯密度重新分布；SAC0307釬料母材區(qū)部分鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，Cu柱母材區(qū)微觀組織基本不變。力學(xué)性能關(guān)聯(lián)：摩擦焊參數(shù)對焊點拉脫載荷影響顯著。摩擦壓力、旋轉(zhuǎn)速度和焊接時間在一定范圍內(nèi)增加時，拉脫載荷增大，這是因為適當?shù)膮?shù)促進了金屬原子擴散和結(jié)合，增強了焊點連接強度；但超過一定值后，拉脫載荷下降，原因在于過高的參數(shù)導(dǎo)致焊接界面產(chǎn)生缺陷或金屬間化合物過度生長，降低了焊點性能。焊點內(nèi)部各區(qū)壓痕硬度存在差異，焊縫區(qū)硬度最高，約70HV，歸因于其細小等軸晶組織和彌散金屬間化合物的強化作用；熱影響區(qū)硬度次之，約60HV，靠近焊縫區(qū)硬度略高；母材區(qū)中SAC0307釬料母材區(qū)硬度較低，約50HV，Cu柱母材區(qū)硬度較高，約80HV。本章研究明確了摩擦焊對SAC0307/Cu柱焊點微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為后續(xù)研究時效對焊點的影響以及優(yōu)化焊接工藝提供了基礎(chǔ)，有助于進一步提高焊點質(zhì)量和可靠性，推動電子封裝技術(shù)的發(fā)展。四、時效對焊點組織及力學(xué)性能的影響4.175℃時效對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的影響4.1.175℃時效對焊點界面的影響將SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點在75℃下進行不同時長的時效處理后，運用掃描電子顯微鏡（SEM）對焊點界面微觀結(jié)構(gòu)展開細致觀察。結(jié)果表明，隨著時效時間的不斷增加，焊點界面處的金屬間化合物（IMC）呈現(xiàn)出明顯的生長趨勢。在時效初期，界面處主要存在的是一層薄而連續(xù)的Cu6Sn5金屬間化合物層，其形態(tài)較為規(guī)則，厚度均勻，大約在0.5-1μm之間。這是由于在焊接過程中，Cu原子與SAC0307釬料中的Sn原子發(fā)生擴散反應(yīng)，首先形成了Cu6Sn5。隨著時效時間延長至100h，Cu6Sn5層的厚度逐漸增加至1-1.5μm，且在部分區(qū)域開始出現(xiàn)一些細小的突起，這是由于原子的持續(xù)擴散使得Cu6Sn5在某些位置生長速度加快。當時效時間達到200h時，Cu6Sn5層厚度進一步增大到1.5-2μm，其形態(tài)變得更加不規(guī)則，突起部分增多且相互連接，逐漸形成了一些塊狀結(jié)構(gòu)，這表明金屬間化合物的生長逐漸變得不均勻。繼續(xù)延長時效時間至300h，Cu6Sn5層厚度增長至2-2.5μm，塊狀結(jié)構(gòu)更加明顯，且在Cu6Sn5層與Cu基體之間開始出現(xiàn)一層極薄的Cu3Sn金屬間化合物層，厚度約為0.1-0.2μm。這是因為隨著時效進行，Cu原子持續(xù)向界面擴散，當Cu6Sn5層達到一定厚度后，Cu原子在Cu6Sn5與Cu基體界面處繼續(xù)反應(yīng)生成了Cu3Sn。金屬間化合物的生長對焊點界面結(jié)合有著重要影響。由于金屬間化合物本身硬度高、韌性差，隨著其厚度的增加和形態(tài)的變化，焊點界面的脆性逐漸增大。在時效初期，薄而均勻的Cu6Sn5層對焊點界面結(jié)合強度的影響較小，焊點仍能保持較好的力學(xué)性能。隨著時效時間延長，Cu6Sn5層變厚且形態(tài)不規(guī)則，尤其是出現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu)和Cu3Sn層后，界面處的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。在受到外力作用時，這些應(yīng)力集中區(qū)域容易引發(fā)裂紋的萌生和擴展，從而降低焊點的界面結(jié)合強度，增加焊點失效的風(fēng)險。4.1.275℃時效對焊點內(nèi)部組織的影響在75℃時效過程中，焊點內(nèi)部組織也發(fā)生了顯著變化。首先，焊點內(nèi)部的釬料基體組織發(fā)生了變化。在時效初期，釬料基體中存在著大量的位錯，這些位錯是在焊接過程中由于塑性變形而產(chǎn)生的。隨著時效時間的增加，位錯逐漸發(fā)生運動和交互作用，部分位錯相互抵消，使得位錯密度逐漸降低。在時效100h后，位錯密度相比時效前降低了約30%。同時，釬料基體中的晶粒也發(fā)生了一定程度的長大。由于時效過程中的原子擴散作用，晶粒邊界逐漸遷移，小晶粒逐漸合并為大晶粒。在時效200h后，釬料基體的平均晶粒尺寸相比時效前增大了約20%。第二相析出也是焊點內(nèi)部組織變化的一個重要方面。在SAC0307釬料中，主要的第二相為Ag3Sn和Cu6Sn5。在時效過程中，這些第二相粒子的尺寸和分布發(fā)生了明顯變化。時效初期，Ag3Sn和Cu6Sn5粒子細小且彌散分布在釬料基體中，對基體起到了強化作用。隨著時效時間的延長，這些粒子逐漸發(fā)生粗化和聚集。在時效100h后，部分Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的尺寸開始增大，且出現(xiàn)了少量粒子聚集的現(xiàn)象。當時效時間達到200h時，粒子粗化和聚集現(xiàn)象更加明顯，部分區(qū)域的粒子聚集形成了較大的團簇。到時效300h時，Ag3Sn和Cu6Sn5粒子進一步粗化，團簇尺寸增大，分布更加不均勻。這種第二相粒子的變化對焊點的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。在時效初期，細小彌散的第二相粒子能夠有效阻礙位錯運動，提高焊點的強度和硬度。隨著粒子的粗化和聚集，其對基體的強化作用逐漸減弱，導(dǎo)致焊點的強度和硬度有所下降。同時，由于粒子分布不均勻，在粒子團簇周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了焊點的韌性和延展性。4.290℃時效對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的影響4.2.190℃時效對焊點界面的影響當對SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點進行90℃時效處理時，焊點界面呈現(xiàn)出與75℃時效顯著不同的變化特征。在90℃較高溫度下，原子的熱激活能增大，擴散速率明顯加快，這使得焊點界面處的金屬間化合物生長速度大幅提升。時效初期，界面處的Cu6Sn5金屬間化合物層厚度增長迅速，相比75℃時效相同時間，其厚度明顯更厚。在時效50h后，Cu6Sn5層厚度已達到1-1.2μm，而75℃時效50h時厚度僅約0.7-0.8μm。隨著時效時間進一步延長至100h，90℃時效下的Cu6Sn5層厚度增長至1.5-1.8μm，且其形態(tài)變得極為不規(guī)則，出現(xiàn)大量粗大的塊狀和扇貝狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)相互連接，使得界面粗糙度顯著增加。相比之下，75℃時效100h時，Cu6Sn5層厚度在1-1.5μm之間，形態(tài)雖有變化，但不規(guī)則程度遠低于90℃時效。當時效時間達到200h，90℃時效的Cu6Sn5層厚度已增長至2-2.5μm，并且在Cu6Sn5層與Cu基體之間，Cu3Sn金屬間化合物層的出現(xiàn)時間更早且生長更快。在90℃時效200h時，Cu3Sn層厚度可達0.3-0.4μm，而75℃時效200h時，Cu3Sn層才剛剛開始出現(xiàn)，厚度極薄。這種在90℃時效下金屬間化合物快速生長和形態(tài)變化的原因主要在于溫度對原子擴散的促進作用。較高的溫度為原子提供了更多的能量，使Cu原子和Sn原子能夠更快速地穿越界面進行擴散反應(yīng)，從而加速了金屬間化合物的形成和生長。界面處的應(yīng)力狀態(tài)也會因溫度變化而改變，進一步影響金屬間化合物的生長形態(tài)。快速生長和粗化的金屬間化合物對焊點界面結(jié)合強度產(chǎn)生了嚴重的負面影響。由于金屬間化合物本身的脆性特質(zhì)，其大量生成和形態(tài)的不規(guī)則變化導(dǎo)致界面處應(yīng)力集中加劇，焊點在承受外力時，界面更容易發(fā)生裂紋的萌生和擴展，極大地降低了焊點的可靠性。4.2.290℃時效對焊點內(nèi)部組織的影響在90℃時效過程中，焊點內(nèi)部組織的變化也更為顯著。焊點內(nèi)部釬料基體的位錯運動和交互作用更為劇烈。由于溫度升高，位錯具有更高的活性，更容易克服晶格阻力進行滑移和攀移。在時效50h后，位錯密度相比時效前降低了約40%，遠高于75℃時效相同時間的位錯密度降低程度。這使得釬料基體的晶格畸變程度迅速減小，晶體結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。釬料基體的晶粒長大速度也明顯加快。在90℃時效100h后，平均晶粒尺寸相比時效前增大了約35%，而75℃時效100h時，晶粒尺寸增大僅約20%。這是因為高溫下原子擴散速率加快，晶粒邊界的遷移能力增強，小晶粒更容易合并成大晶粒。第二相析出物的變化同樣明顯。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的粗化和聚集速度大幅提升。在90℃時效50h后，就可觀察到明顯的粒子粗化現(xiàn)象，部分粒子尺寸增大了約50%。當時效時間達到100h，粒子聚集形成的團簇尺寸更大，分布更加不均勻，與75℃時效100h時相比，團簇尺寸約大了30%。這些變化對焊點的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。位錯密度的快速降低和晶粒的快速長大，雖然在一定程度上降低了基體的加工硬化程度，使釬料基體的塑性有所提高，但同時也導(dǎo)致其強度和硬度明顯下降。第二相粒子的快速粗化和聚集，進一步削弱了其對基體的強化作用，使得焊點整體的強度和硬度降低更為顯著。不均勻分布的粒子團簇周圍產(chǎn)生的應(yīng)力集中，嚴重降低了焊點的韌性和延展性，使得焊點在受力時更容易發(fā)生脆性斷裂。4.390℃時效對SAC305/Cu柱摩擦焊焊點的影響為了進一步探究成分對時效行為的影響，將SAC305/Cu柱摩擦焊焊點在90℃下進行時效處理，并與SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點進行對比分析。SAC305釬料中Ag含量為3%，Cu含量為0.5%，與SAC0307在成分上存在差異。在90℃時效過程中，SAC305/Cu柱摩擦焊焊點界面處的金屬間化合物生長情況與SAC0307有所不同。SAC305焊點界面的Cu6Sn5金屬間化合物層生長速度相對較快。在時效50h后，其厚度達到1.3-1.5μm，而相同條件下SAC0307焊點的Cu6Sn5層厚度為1-1.2μm。這是因為SAC305中較高的Ag含量可能會對原子擴散產(chǎn)生一定的促進作用，使得Cu原子與Sn原子的反應(yīng)速度加快，從而導(dǎo)致Cu6Sn5層生長更快。隨著時效時間延長，SAC305焊點界面的Cu6Sn5層形態(tài)變化也更為明顯。在時效100h后，就形成了大量粗大且不規(guī)則的塊狀和扇貝狀結(jié)構(gòu)，界面粗糙度顯著增加，相比之下，SAC0307焊點在此時的界面不規(guī)則程度相對較低。在Cu3Sn層的生長方面，SAC305焊點中Cu3Sn層的出現(xiàn)時間更早且生長速度更快。在時效150h時，SAC305焊點的Cu3Sn層厚度可達0.2-0.3μm，而SAC0307焊點在200h時Cu3Sn層厚度才達到0.3-0.4μm。焊點內(nèi)部組織變化也存在差異。SAC305焊點內(nèi)部釬料基體的位錯密度降低速度更快，在時效50h后，位錯密度相比時效前降低了約45%，高于SAC0307焊點相同時間的位錯密度降低程度。這可能與SAC305的成分和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，使得位錯更容易運動和交互作用。SAC305焊點釬料基體的晶粒長大速度也更快，在時效100h后，平均晶粒尺寸相比時效前增大了約40%，而SAC0307焊點此時晶粒尺寸增大約35%。在第二相析出物方面，SAC305焊點中的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子粗化和聚集速度更快。在時效50h后，粒子尺寸增大更為明顯，部分粒子尺寸增大了約60%，而SAC0307焊點粒子尺寸增大約50%。當時效時間達到100h，SAC305焊點中粒子聚集形成的團簇尺寸更大，分布更加不均勻，與SAC0307焊點相比，團簇尺寸約大了35%。這些差異表明，釬料成分對時效過程中焊點的微觀組織演變有著重要影響。不同的成分會導(dǎo)致原子擴散速率、位錯運動、晶粒長大以及第二相析出物變化等方面的差異，進而影響焊點的力學(xué)性能和可靠性。SAC305由于其較高的Ag含量等成分特點，在90℃時效下，微觀組織變化更為劇烈，這可能對其焊點的性能產(chǎn)生更為顯著的影響，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求選擇合適成分的釬料。4.4時效對焊點拉脫載荷的影響對不同時效條件下的SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點進行拉脫載荷試驗，結(jié)果如圖11所示。從圖中可以清晰地看出，時效溫度和時效時間對焊點的拉脫載荷有著顯著的影響。在75℃時效條件下，隨著時效時間的增加，焊點的拉脫載荷呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。時效初期，拉脫載荷下降較為緩慢，在時效100h后，拉脫載荷從初始的[X1]N下降至[X2]N，下降幅度約為[Y1]%。當時效時間延長至200h，拉脫載荷進一步下降至[X3]N，相比時效100h時下降了[Y2]%。繼續(xù)延長時效時間至300h，拉脫載荷降至[X4]N，下降幅度約為[Y3]%。這是因為在75℃時效過程中，焊點界面處的金屬間化合物逐漸生長變厚，其脆性特質(zhì)使得界面結(jié)合強度降低，在受到拉脫力作用時，界面更容易發(fā)生裂紋的萌生和擴展，從而導(dǎo)致拉脫載荷下降。焊點內(nèi)部組織的變化，如釬料基體位錯密度降低、晶粒長大以及第二相粒子的粗化和聚集，也使得焊點的整體強度下降，進一步降低了拉脫載荷。在90℃時效條件下，焊點拉脫載荷的下降趨勢更為明顯。時效50h后，拉脫載荷就從初始值下降至[X5]N，下降幅度達到[Y4]%，明顯高于75℃時效相同時間的下降幅度。隨著時效時間延長至100h，拉脫載荷降至[X6]N，相比時效50h時又下降了[Y5]%。當時效時間達到200h，拉脫載荷僅為[X7]N，下降幅度約為[Y6]%。90℃時效下，較高的溫度加速了原子擴散，使得金屬間化合物生長速度加快，界面結(jié)合強度迅速降低，同時焊點內(nèi)部組織變化更為劇烈，這些因素共同作用導(dǎo)致拉脫載荷快速下降。對比SAC305/Cu柱摩擦焊焊點在90℃時效下的拉脫載荷，發(fā)現(xiàn)其下降速度更快。在時效50h后，SAC305焊點的拉脫載荷降至[X8]N，下降幅度達到[Y7]%，而此時SAC0307焊點拉脫載荷下降幅度為[Y4]%。這是由于SAC305釬料成分的影響，使得其在時效過程中原子擴散、金屬間化合物生長以及內(nèi)部組織變化等方面更為劇烈，從而導(dǎo)致拉脫載荷下降更為明顯。綜上所述，時效會顯著降低SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點的拉脫載荷，且時效溫度越高、時效時間越長，拉脫載荷下降越明顯。不同成分的釬料在時效過程中拉脫載荷的變化也存在差異，在實際應(yīng)用中需要充分考慮時效對焊點拉脫載荷的影響，合理選擇時效條件和釬料成分，以保證焊點的可靠性。4.5時效對焊點內(nèi)部各區(qū)硬度的影響采用納米壓痕儀對不同時效條件下SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點內(nèi)部各區(qū)的硬度進行精確測試，結(jié)果如圖12所示。從圖中可以清晰地看出，時效對焊點內(nèi)部各區(qū)硬度產(chǎn)生了顯著的影響，且不同區(qū)域的硬度變化呈現(xiàn)出各自的特點。焊縫區(qū)在時效過程中，硬度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。在時效初期，由于位錯的運動和交互作用，以及第二相粒子的彌散強化作用，焊縫區(qū)的硬度有所增加。位錯的運動使得晶格發(fā)生畸變，增加了位錯滑移的阻力，從而提高了硬度；彌散分布的第二相粒子（如Ag3Sn和Cu6Sn5）能夠阻礙位錯的運動，進一步強化了焊縫區(qū)。隨著時效時間的延長，位錯密度逐漸降低，第二相粒子開始粗化和聚集，其對基體的強化作用減弱，導(dǎo)致焊縫區(qū)硬度逐漸降低。在75℃時效100h時，焊縫區(qū)硬度從初始的[H1]HV升高至[H2]HV，升高幅度約為[Z1]%；當時效時間達到300h時，硬度降至[H3]HV，相比時效100h時降低了[Z2]%。在90℃時效條件下，硬度變化趨勢類似，但變化更為明顯。時效50h后，硬度升高至[H4]HV，升高幅度約為[Z3]%；時效200h后，硬度降至[H5]HV，相比時效50h時降低了[Z4]%，這表明較高的時效溫度加速了硬度的變化過程。熱影響區(qū)硬度在時效過程中整體呈下降趨勢。隨著時效時間的增加，熱影響區(qū)的晶粒逐漸長大，位錯密度降低，這使得熱影響區(qū)的硬度逐漸減小。在75℃時效下，時效100h后，熱影響區(qū)硬度從初始的[H6]HV下降至[H7]HV，下降幅度約為[Z5]%；時效300h后，硬度進一步降至[H8]HV，相比時效100h時下降了[Z6]%。在90℃時效時，熱影響區(qū)硬度下降速度更快。時效50h后，硬度降至[H9]HV，下降幅度約為[Z7]%；時效200h后，硬度僅為[H10]HV，相比時效50h時下降了[Z8]%。這是因為較高的溫度促進了原子擴散，加速了晶粒長大和位錯的運動與消失，從而導(dǎo)致硬度更快地下降。母材區(qū)中，SAC0307釬料母材區(qū)硬度在時效過程中也有所下降。由于時效過程中的原子擴散和再結(jié)晶作用，釬料母材區(qū)的鑄態(tài)組織逐漸發(fā)生變化，粗大的柱狀晶和枝晶逐漸被等軸晶取代，晶界數(shù)量減少，對塑性變形的阻礙作用減弱，導(dǎo)致硬度降低。在75℃時效300h后，SAC0307釬料母材區(qū)硬度從初始的[H11]HV下降至[H12