SAC0307-Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)微觀組織與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)及演變研究

SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)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(dāng)今數(shù)字化時(shí)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(jī)、平板電腦到高性能計(jì)算機(jī)、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(qiáng)大。而電子封裝技術(shù)作為實(shí)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(duì)電子封裝技術(shù)提出了越來(lái)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(hào)傳輸、高功率處理等，對(duì)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(yán)格的要求。在這種背景下，焊點(diǎn)作為電子封裝中實(shí)現(xiàn)電氣連接和機(jī)械固定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能對(duì)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(diǎn)連接技術(shù)中，摩擦焊以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)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(guò)在焊件接觸表面施加壓力并使其相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，利用摩擦產(chǎn)生的熱量使焊件表面達(dá)到塑性狀態(tài)，然后在壓力作用下實(shí)現(xiàn)金屬原子間的擴(kuò)散和結(jié)合，從而形成牢固的焊點(diǎn)。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(qiáng)度大、無(wú)焊縫缺陷（如氣孔、裂紋等）、焊接過(guò)程無(wú)需添加填充材料、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。此外，摩擦焊還能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料之間的連接，這為滿(mǎn)足電子封裝中對(duì)多種材料集成的需求提供了可能。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)是一種常見(jiàn)的電子封裝焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中SAC0307是一種典型的無(wú)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(shí)現(xiàn)芯片與基板之間的電氣連接和機(jī)械支撐。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)在電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用，如智能手機(jī)、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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)會(huì)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(dòng)等）等，這些因素可能導(dǎo)致焊點(diǎn)的顯微組織發(fā)生變化，進(jìn)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(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，如孔洞、未焊合區(qū)域等，降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度和韌性；在高溫、高濕等惡劣服役環(huán)境下，焊點(diǎn)可能發(fā)生腐蝕、疲勞等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，深入研究SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的顯微組織及力學(xué)性能演變規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化焊接工藝、提高焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性、延長(zhǎng)電子設(shè)備的使用壽命具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)顯微組織的分析，可以了解焊接過(guò)程中金屬原子的擴(kuò)散、結(jié)晶等行為，揭示焊點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制；對(duì)力學(xué)性能演變的研究，則可以掌握焊點(diǎn)在不同條件下的強(qiáng)度、韌性、疲勞性能等變化規(guī)律，為焊點(diǎn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，這也有助于推動(dòng)電子封裝技術(shù)的發(fā)展，滿(mǎn)足電子設(shè)備不斷升級(jí)換代的需求，促進(jìn)電子信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進(jìn)步。1.2研究目的與意義本研究聚焦于SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)，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(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。從理論層面來(lái)看，焊點(diǎn)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(diǎn)。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)在焊接過(guò)程中，由于摩擦熱的作用以及不同材料間的相互擴(kuò)散，其內(nèi)部會(huì)形成復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)包括焊點(diǎn)內(nèi)部的晶粒形態(tài)、晶界分布、金屬間化合物的種類(lèi)、形態(tài)、尺寸及其分布等，它們對(duì)焊點(diǎn)的力學(xué)性能如強(qiáng)度、韌性、疲勞性能等起著決定性作用。然而，目前對(duì)于SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)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(jī)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(rèn)識(shí)。本研究通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)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(duì)焊點(diǎn)的顯微組織進(jìn)行細(xì)致的觀察和分析，試圖揭示焊接過(guò)程中金屬原子的擴(kuò)散行為、結(jié)晶規(guī)律以及金屬間化合物的形成與生長(zhǎng)機(jī)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(diǎn)的材料科學(xué)理論體系。在實(shí)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(duì)電子封裝中焊點(diǎn)的性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)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(gè)電子設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命。在實(shí)際的生產(chǎn)制造過(guò)程中，焊接工藝參數(shù)的波動(dòng)，如摩擦壓力、旋轉(zhuǎn)速度、焊接時(shí)間等，會(huì)顯著影響焊點(diǎn)的質(zhì)量和性能。不合適的工藝參數(shù)可能導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)孔洞、未焊合區(qū)域等缺陷，降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度和韌性，增加電子產(chǎn)品在使用過(guò)程中的失效風(fēng)險(xiǎn)。此外，電子產(chǎn)品在服役過(guò)程中，焊點(diǎn)會(huì)受到溫度變化、濕度、振動(dòng)、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(diǎn)的疲勞、腐蝕、蠕變等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品的可靠性。通過(guò)對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)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(diǎn)缺陷的產(chǎn)生，提高焊點(diǎn)的質(zhì)量和一致性；同時(shí)，針對(duì)不同的服役環(huán)境，制定相應(yīng)的防護(hù)措施和可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，增強(qiáng)焊點(diǎn)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(mǎn)足電子信息產(chǎn)業(yè)對(duì)高性能、高可靠性電子產(chǎn)品的迫切需求，推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。1.3國(guó)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(jìn)步緊密相連，經(jīng)歷了多個(gè)重要階段。早期的CGA器件封裝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要側(cè)重于實(shí)現(xiàn)電氣連接和基本的機(jī)械支撐功能。隨著電子產(chǎn)品對(duì)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(jìn)。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(mǎn)足更好的電氣性能、熱性能和機(jī)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(hào)傳輸延遲和提高散熱效率。在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)械強(qiáng)度，增強(qiáng)器件的可靠性和穩(wěn)定性。例如，通過(guò)采用交錯(cuò)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(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。當(dāng)前，CGA器件封裝技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在幾個(gè)關(guān)鍵方面。在提高封裝密度方面，研究人員致力于開(kāi)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(shí)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(kuò)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(hào)傳輸特性、電磁兼容性等問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化封裝材料和結(jié)構(gòu)，減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗、延遲和干擾，提高信號(hào)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(hào)傳輸?shù)膿p耗；采用電磁屏蔽技術(shù)，減少外界電磁干擾對(duì)器件的影響。在改善熱性能方面，關(guān)注散熱問(wèn)題，研發(fā)高效的散熱結(jié)構(gòu)和材料，確保器件在工作過(guò)程中能夠及時(shí)有效地散發(fā)熱量，避免因過(guò)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(chǎng)景的不斷拓展，對(duì)CGA器件封裝在惡劣環(huán)境下的可靠性要求也越來(lái)越高，因此，研究其在高溫、高濕、振動(dòng)等惡劣環(huán)境下的可靠性也是當(dāng)前的一個(gè)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(dòng)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(jìn)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(duì)設(shè)備精度和工藝控制的要求也越來(lái)越高。例如，在進(jìn)行微間距引腳的焊接時(shí)，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(duì)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(jìn)封裝工藝的應(yīng)用往往會(huì)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(gè)重要問(wèn)題。例如，開(kāi)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(yàn)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(zhǔn)確的可靠性評(píng)估模型和測(cè)試方法具有很大難度。例如，在評(píng)估器件在高溫、高濕和振動(dòng)等多因素協(xié)同作用下的可靠性時(shí)，需要考慮各種因素之間的相互影響，目前的測(cè)試方法和評(píng)估模型還難以完全準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，這給器件的可靠性驗(yàn)證帶來(lái)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(wú)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(gè)關(guān)鍵方面。在成分研究上，通過(guò)添加微量元素對(duì)Sn-Ag-Cu系釬料進(jìn)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(xì)化釬料的微觀組織，提高其強(qiáng)度和韌性。這是因?yàn)橄⊥猎啬軌蛟阝F料凝固過(guò)程中作為形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)晶粒細(xì)化，同時(shí)還能與釬料中的雜質(zhì)元素結(jié)合，減少雜質(zhì)對(duì)性能的不利影響。加入微量的Ni可以增強(qiáng)釬料與基板之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，抑制金屬間化合物的過(guò)度生長(zhǎng)。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(wú)序生長(zhǎng)，從而提高了焊點(diǎn)的可靠性。對(duì)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(diǎn)。不同的成分比例會(huì)導(dǎo)致釬料在熔點(diǎn)、潤(rùn)濕性、力學(xué)性能等方面產(chǎn)生顯著差異。例如，適當(dāng)增加Ag含量可以提高釬料的強(qiáng)度和硬度，但過(guò)高的Ag含量會(huì)使釬料的熔點(diǎn)升高，成本增加；而調(diào)整Cu含量則會(huì)影響釬料中金屬間化合物的生成和分布，進(jìn)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(diǎn)之一。其強(qiáng)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(xì)小均勻的晶粒組織能夠有效提高釬料的強(qiáng)度和韌性，因?yàn)榧?xì)晶粒增加了晶界數(shù)量，晶界可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的強(qiáng)度；同時(shí)，晶界還能吸收和分散裂紋擴(kuò)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(diǎn)可靠性的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(cuò)的滑移和攀移，從而抑制蠕變變形的發(fā)生。釬料的潤(rùn)濕性對(duì)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(qiáng)度和焊點(diǎn)的完整性。潤(rùn)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(jìn)行表面處理，可以改善釬料的潤(rùn)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(rùn)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(fèi)電子領(lǐng)域，如智能手機(jī)、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(jī)械穩(wěn)定性。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，用于CPU、內(nèi)存等關(guān)鍵部件的封裝，滿(mǎn)足了計(jì)算機(jī)對(duì)高性能、高可靠性的要求。隨著汽車(chē)電子的快速發(fā)展，Sn-Ag-Cu系釬料在汽車(chē)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(chē)電子在高溫、振動(dòng)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(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。其成分中Ag含量相對(duì)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(shì)，同時(shí)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(diǎn)適中，能夠在較為合理的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行焊接，減少了對(duì)焊接設(shè)備和基板材料的高溫?fù)p傷風(fēng)險(xiǎn)。在力學(xué)性能方面，SAC0307釬料具有良好的強(qiáng)度和韌性，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)電子封裝應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能的要求。在實(shí)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(duì)釬料力學(xué)性能的研究納米壓痕法作為一種先進(jìn)的材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)，其原理基于連續(xù)加載和卸載過(guò)程中對(duì)壓頭與材料相互作用的精確測(cè)量。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)精確控制一個(gè)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(dāng)達(dá)到最大載荷后，開(kāi)始卸載，此時(shí)材料的彈性變形部分恢復(fù)，而塑性變形則保留下來(lái)，在材料表面形成一個(gè)微小的壓痕。通過(guò)高精度的位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓頭的位移變化，同時(shí)記錄對(duì)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(guò)對(duì)其進(jìn)行深入分析，可以獲取材料的硬度、彈性模量、屈服強(qiáng)度等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。在釬料力學(xué)性能測(cè)試中，納米壓痕法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試方法相比，納米壓痕法可以在微觀尺度下對(duì)釬料的力學(xué)性能進(jìn)行精確測(cè)量，避免了傳統(tǒng)方法中由于樣品尺寸較大、測(cè)試結(jié)果受宏觀缺陷和不均勻性影響的問(wèn)題。由于釬料在電子封裝中通常以微小焊點(diǎn)的形式存在，納米壓痕法能夠更好地模擬焊點(diǎn)的實(shí)際受力情況，提供更準(zhǔn)確的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。例如，在測(cè)量釬料與基板界面處的力學(xué)性能時(shí)，納米壓痕法可以精確地定位到界面區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，而傳統(tǒng)方法很難做到這一點(diǎn)。通過(guò)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(duì)規(guī)則，其硬度和彈性模量相對(duì)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(duì)釬料的塑性變形和裂紋擴(kuò)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(huì)改變釬料整體的力學(xué)性能。通過(guò)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(xì)化可以提高釬料的強(qiáng)度和韌性；適當(dāng)?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(huì)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(shí)效對(duì)焊點(diǎn)組織和力學(xué)性能影響的研究時(shí)效處理是指將金屬材料在一定溫度下保持一段時(shí)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(diǎn)領(lǐng)域，時(shí)效處理對(duì)焊點(diǎn)的組織和力學(xué)性能有著顯著的影響。許多研究表明，時(shí)效過(guò)程中，焊點(diǎn)內(nèi)部會(huì)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(zhǎng)和粗化是一個(gè)重要的變化。在Sn-Ag-Cu系焊點(diǎn)中，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，焊點(diǎn)中Cu6Sn5、Ag3Sn等金屬間化合物的尺寸會(huì)逐漸增大，形態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，從細(xì)小彌散分布逐漸變?yōu)榇执蟮膲K狀或?qū)訝罘植?。這種變化會(huì)對(duì)焊點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的強(qiáng)度和硬度增加，但同時(shí)韌性和延展性降低，使得焊點(diǎn)在受到外力作用時(shí)更容易發(fā)生脆性斷裂。時(shí)效還會(huì)引起焊點(diǎn)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(huì)發(fā)生擴(kuò)散和偏聚，導(dǎo)致基體的固溶強(qiáng)化效果改變，進(jìn)而影響焊點(diǎn)的力學(xué)性能。在時(shí)效初期，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散和偏聚可能會(huì)使基體的固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，從而提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度；但隨著時(shí)效時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，溶質(zhì)原子可能會(huì)形成一些第二相粒子，這些粒子的長(zhǎng)大和聚集可能會(huì)導(dǎo)致基體的強(qiáng)度下降。目前關(guān)于時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)組織和力學(xué)性能影響的研究仍存在一些不足之處。在時(shí)效過(guò)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(duì)于這些變化的具體動(dòng)力學(xué)過(guò)程，如金屬間化合物的生長(zhǎng)速率、溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)等，還缺乏準(zhǔn)確的定量模型。這使得在預(yù)測(cè)焊點(diǎn)在不同時(shí)效條件下的性能變化時(shí)存在一定的困難。對(duì)于多因素協(xié)同作用下時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)性能的影響研究還相對(duì)較少。在實(shí)際服役環(huán)境中，焊點(diǎn)往往會(huì)同時(shí)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(shí)效）對(duì)焊點(diǎn)的影響，對(duì)于多因素相互作用下焊點(diǎn)組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律還需要進(jìn)一步深入研究。不同研究之間的實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)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(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)了一定的困難。1.4研究?jī)?nèi)容與方法1.4.1研究?jī)?nèi)容本研究主要聚焦于SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)，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?jī)?nèi)容如下：SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)微觀組織分析：運(yùn)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(jìn)技術(shù)，對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的微觀組織進(jìn)行細(xì)致觀察和深入分析。明確焊點(diǎn)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(cuò)密度等；精確測(cè)定焊點(diǎn)中金屬間化合物的種類(lèi)、形態(tài)、尺寸及其分布情況，并深入分析其形成機(jī)制和生長(zhǎng)規(guī)律。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)力學(xué)性能測(cè)試：通過(guò)拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等力學(xué)性能測(cè)試方法，全面獲取SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、疲勞壽命等；深入分析焊點(diǎn)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(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律。時(shí)效對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)組織和力學(xué)性能的影響：對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)進(jìn)行不同時(shí)間和溫度條件下的時(shí)效處理，研究時(shí)效過(guò)程中焊點(diǎn)微觀組織的演變規(guī)律，包括金屬間化合物的生長(zhǎng)、粗化，以及釬料基體的微觀結(jié)構(gòu)變化等；分析時(shí)效處理對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響，如強(qiáng)度、硬度、韌性等性能的變化，并建立時(shí)效時(shí)間、溫度與焊點(diǎn)組織和力學(xué)性能之間的定量關(guān)系模型?；谖⒂^組織和力學(xué)性能的焊點(diǎn)可靠性評(píng)估：依據(jù)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的微觀組織特征和力學(xué)性能演變規(guī)律，構(gòu)建焊點(diǎn)的可靠性評(píng)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(dòng)等）以及時(shí)效處理等對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響，運(yùn)用有限元分析等方法，對(duì)焊點(diǎn)在實(shí)際服役過(guò)程中的可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。1.4.2研究方法為了實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法：實(shí)驗(yàn)研究方法：采用摩擦焊設(shè)備進(jìn)行SAC0307/Cu柱的焊接實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整摩擦壓力、旋轉(zhuǎn)速度、焊接時(shí)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(diǎn)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(duì)焊點(diǎn)的微觀組織進(jìn)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(duì)焊點(diǎn)中的元素成分和物相組成進(jìn)行分析，為微觀組織研究提供依據(jù)；通過(guò)拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等力學(xué)性能測(cè)試方法，使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，測(cè)定焊點(diǎn)的力學(xué)性能參數(shù)，并記錄試驗(yàn)過(guò)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(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的微觀組織和力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，揭示SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)微觀組織的形成機(jī)制和力學(xué)性能的影響因素；運(yùn)用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立焊點(diǎn)的力學(xué)模型，模擬焊點(diǎn)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(cè)焊點(diǎn)的可靠性；結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(shí)效處理對(duì)焊點(diǎn)組織和力學(xué)性能影響的數(shù)學(xué)模型，為焊點(diǎn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。二、試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法2.1試驗(yàn)材料本研究選用SAC0307釬料和Cu柱作為試驗(yàn)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(wú)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(dòng)性和潤(rùn)濕性，能夠在焊接過(guò)程中較好地填充縫隙，實(shí)現(xiàn)與母材的緊密結(jié)合。Ag的加入可以提高釬料的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性。Ag在釬料中會(huì)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(qiáng)化作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高釬料的強(qiáng)度和硬度；同時(shí)，Ag3Sn的存在也能增強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度，增強(qiáng)焊點(diǎn)的可靠性；但如果Cu6Sn5的含量過(guò)高或生長(zhǎng)形態(tài)不佳，可能會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)脆性增加，降低焊點(diǎn)的韌性。SAC0307釬料由于其成分特點(diǎn)，具有熔點(diǎn)適中的優(yōu)點(diǎn)，熔點(diǎn)范圍大約在217-227℃之間，這使得它在焊接過(guò)程中能夠在相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn)連接，減少對(duì)電子元件的熱損傷，同時(shí)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(mǎn)足電子封裝對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)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(lèi)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(jī)械支撐的關(guān)鍵作用。本試驗(yàn)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(hào)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(hào)傳輸過(guò)程中的損耗和延遲，提高信號(hào)的完整性。Cu柱的導(dǎo)熱性也十分出色，能夠及時(shí)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(yùn)行，防止因過(guò)熱導(dǎo)致性能下降或失效。在機(jī)械性能方面，Cu柱具有較高的強(qiáng)度和硬度，能夠?yàn)樾酒峁┛煽康臋C(jī)械支撐，使其在受到外力作用時(shí)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(shí)，Cu柱與SAC0307釬料之間具有良好的兼容性，在焊接過(guò)程中能夠形成牢固的金屬間化合物層，實(shí)現(xiàn)可靠的連接。2.2試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)本研究使用的主要試驗(yàn)設(shè)備包括摩擦焊機(jī)、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(yàn)機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)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(jī)：選用[品牌及型號(hào)]連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)，該設(shè)備具備高精度的運(yùn)動(dòng)控制和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在焊接過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為1000-2000r/min，通過(guò)變頻器進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足不同焊接工藝對(duì)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(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋；焊接時(shí)間控制在5-20s，可通過(guò)設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行精確設(shè)定，確保焊接過(guò)程的一致性。在焊接過(guò)程中，通過(guò)設(shè)備自帶的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用紅外測(cè)溫儀對(duì)焊接區(qū)域的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度可達(dá)±2℃，以了解焊接過(guò)程中的熱循環(huán)情況。金相顯微鏡：采用[品牌及型號(hào)]金相顯微鏡，其光學(xué)系統(tǒng)基于CFI60無(wú)限遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)6孔轉(zhuǎn)換器切換不同倍率的物鏡，包括5倍平場(chǎng)熒光BD物鏡（數(shù)值孔徑0.15，工作距離18.0mm）、10倍平場(chǎng)熒光BD物鏡（數(shù)值孔徑0.30，工作距離15.0mm）、20倍平場(chǎng)熒光BD長(zhǎng)工作距離物鏡（數(shù)值孔徑0.40，工作距離13.0mm）、50倍平場(chǎng)熒光BD長(zhǎng)工作距離物鏡（數(shù)值孔徑0.55，工作距離9.80mm）和100倍平場(chǎng)熒光BD長(zhǎng)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(cè)微尺，可任意設(shè)定0-30°的觀察角度，方便對(duì)樣品進(jìn)行全方位的觀察和測(cè)量。掃描電子顯微鏡（SEM）：[品牌及型號(hào)]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(dá)1.0nm（在15kV加速電壓下），能夠清晰地觀察焊點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)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(jìn)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(jìn)行快速的元素分析，元素檢測(cè)范圍為B-U，檢測(cè)限低至0.1wt.%，能夠準(zhǔn)確測(cè)定焊點(diǎn)中各元素的成分和分布情況。在進(jìn)行SEM觀察時(shí)，樣品需進(jìn)行噴金處理，以提高樣品表面的導(dǎo)電性，減少電荷積累對(duì)成像的影響。透射電子顯微鏡（TEM）：選用[品牌及型號(hào)]透射電子顯微鏡，其點(diǎn)分辨率達(dá)到0.23nm，晶格分辨率為0.14nm，能夠?qū)更c(diǎn)中的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)，可實(shí)現(xiàn)高分辨率的圖像采集和數(shù)字化處理，方便對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的觀察和分析。在制備TEM樣品時(shí)，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(mǎn)足TEM觀察的要求。能譜分析儀（EDS）：與SEM聯(lián)用的[品牌及型號(hào)]能譜分析儀，探測(cè)器為Si（Li）探測(cè)器，具有高靈敏度和快速分析能力。在分析過(guò)程中，采集時(shí)間設(shè)定為60-120s，以確保獲得準(zhǔn)確的元素含量數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)不同區(qū)域進(jìn)行多點(diǎn)分析，繪制元素分布圖譜，清晰展示各元素在焊點(diǎn)中的分布情況。拉伸試驗(yàn)機(jī)：采用[品牌及型號(hào)]萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力為100kN，力值測(cè)量精度為±0.5%FS，能夠精確測(cè)量焊點(diǎn)在拉伸過(guò)程中的載荷變化。試驗(yàn)速度范圍為0.001-500mm/min，在進(jìn)行焊點(diǎn)拉伸試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定拉伸速度為1mm/min，以保證試驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。設(shè)備配備高精度的位移傳感器，位移測(cè)量精度可達(dá)±0.001mm，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品在拉伸過(guò)程中的位移變化，從而計(jì)算出焊點(diǎn)的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等塑性指標(biāo)。疲勞試驗(yàn)機(jī)：[品牌及型號(hào)]電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，最大動(dòng)態(tài)試驗(yàn)力為±50kN，頻率范圍為0.01-200Hz，能夠滿(mǎn)足不同疲勞試驗(yàn)條件的要求。在進(jìn)行焊點(diǎn)疲勞試驗(yàn)時(shí)，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(guò)不斷循環(huán)加載，記錄焊點(diǎn)的疲勞壽命和疲勞過(guò)程中的損傷演化情況。納米壓痕儀：選用[品牌及型號(hào)]納米壓痕儀，載荷范圍為0.01μN(yùn)-5000μN(yùn)，位移分辨率達(dá)到0.01nm，能夠在微觀尺度下精確測(cè)量焊點(diǎn)的硬度和彈性模量等力學(xué)性能。采用Berkovich壓頭，在測(cè)試過(guò)程中，加載速率設(shè)定為100μN(yùn)/s，保載時(shí)間為10s，卸載速率為100μN(yùn)/s，通過(guò)記錄載荷-位移曲線，利用Oliver-Pharr模型計(jì)算焊點(diǎn)的硬度和彈性模量等參數(shù)。2.3試驗(yàn)過(guò)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(chēng)取純度均達(dá)到99.9%以上的錫（Sn）、銀（Ag）、銅（Cu）金屬原料。將稱(chēng)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(mén)后，啟動(dòng)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(guò)程中被氧化。然后，通過(guò)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(jìn)行氣體霧化制粉。將高溫液態(tài)的SAC0307合金通過(guò)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(gè)噴嘴以高速射流沖擊液態(tài)合金流，使其破碎成細(xì)小的液滴。這些液滴在飛行過(guò)程中迅速冷卻凝固，形成固態(tài)的釬料粉末。為了進(jìn)一步篩選出所需尺寸的釬料球，將得到的釬料粉末通過(guò)振動(dòng)篩進(jìn)行分級(jí)篩選，選取粒徑在100-150μm范圍內(nèi)的釬料球用于后續(xù)試驗(yàn)，該尺寸范圍的釬料球能夠較好地滿(mǎn)足焊點(diǎn)制備的工藝要求和性能需求。2.3.2焊點(diǎn)的焊接過(guò)程及時(shí)效處理焊接過(guò)程使用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)進(jìn)行SAC0307/Cu柱的焊接。將經(jīng)過(guò)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(shí)，將SAC0307釬料球放置在與Cu柱相對(duì)的固定工作臺(tái)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(jìn)金屬原子的擴(kuò)散和結(jié)合，同時(shí)避免因轉(zhuǎn)速過(guò)高導(dǎo)致材料過(guò)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(shí)間控制在10s，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度可以使焊接界面達(dá)到合適的溫度和塑性變形程度，實(shí)現(xiàn)牢固的焊接連接。焊接完成后，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行時(shí)效處理。將帶有焊點(diǎn)的樣品放入恒溫箱中，時(shí)效溫度設(shè)定為150℃，分別進(jìn)行100h、200h和300h的時(shí)效處理。時(shí)效處理的作用在于模擬焊點(diǎn)在實(shí)際服役過(guò)程中可能經(jīng)歷的長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境，研究焊點(diǎn)微觀組織和力學(xué)性能隨時(shí)間的變化規(guī)律。在時(shí)效過(guò)程中，焊點(diǎn)內(nèi)部的金屬原子會(huì)發(fā)生擴(kuò)散、再結(jié)晶等行為，金屬間化合物的生長(zhǎng)和粗化也會(huì)隨之進(jìn)行，這些微觀結(jié)構(gòu)的變化將直接影響焊點(diǎn)的力學(xué)性能，通過(guò)對(duì)不同時(shí)效時(shí)間下焊點(diǎn)的分析，可以深入了解時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)性能的影響機(jī)制。2.3.3焊點(diǎn)的拉脫載荷試驗(yàn)焊點(diǎn)的拉脫載荷試驗(yàn)用于評(píng)估焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度，試驗(yàn)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。首先，將帶有焊點(diǎn)的樣品固定在特制的夾具上，確保焊點(diǎn)處于受力中心位置，夾具能夠準(zhǔn)確傳遞拉力并保證樣品在試驗(yàn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。試驗(yàn)開(kāi)始前，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的加載速率為0.5mm/min，這個(gè)加載速率既能保證試驗(yàn)過(guò)程中焊點(diǎn)受力的均勻性和穩(wěn)定性，又能較為真實(shí)地模擬焊點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中受到的加載情況。在加載過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)記錄施加在焊點(diǎn)上的拉力以及樣品的位移變化，直到焊點(diǎn)發(fā)生拉脫破壞，此時(shí)記錄下的最大拉力即為焊點(diǎn)的拉脫載荷。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)每個(gè)工藝條件下制備的焊點(diǎn)進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值作為該條件下焊點(diǎn)的拉脫載荷。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)偏差，以評(píng)估數(shù)據(jù)的離散程度。通過(guò)對(duì)不同工藝參數(shù)制備的焊點(diǎn)以及不同時(shí)效處理后的焊點(diǎn)進(jìn)行拉脫載荷試驗(yàn)，可以對(duì)比分析焊接工藝參數(shù)和時(shí)效處理對(duì)焊點(diǎn)連接強(qiáng)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(guò)程包括切割、鑲嵌、拋光和腐蝕等步驟。使用線切割機(jī)床將帶有焊點(diǎn)的樣品切割成尺寸合適的小塊，切割過(guò)程中采用低速切割并添加適量的冷卻液，以減少切割過(guò)程中產(chǎn)生的熱影響和機(jī)械損傷，確保焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)的完整性。將切割好的樣品放入鑲嵌機(jī)中，采用環(huán)氧樹(shù)脂作為鑲嵌材料，在一定壓力和溫度下進(jìn)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(duì)樣品進(jìn)行拋光處理，先使用不同粒度的砂紙（從200目到2000目）進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，逐步去除樣品表面的切割痕跡和變形層，然后在拋光機(jī)上使用金剛石拋光膏進(jìn)行精拋，直至樣品表面達(dá)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(jìn)行腐蝕處理，以顯示出微觀組織細(xì)節(jié)。對(duì)于SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)，采用體積分?jǐn)?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(wú)水乙醇脫水，最后用吹風(fēng)機(jī)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(duì)樣品進(jìn)行整體觀察，確定焊點(diǎn)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(diǎn)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(duì)于SEM觀察，將制備好的樣品固定在樣品臺(tái)上，放入SEM中，在高真空環(huán)境下，通過(guò)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(diǎn)中的金屬間化合物的形態(tài)、尺寸和分布情況，以及焊點(diǎn)內(nèi)部可能存在的缺陷。2.3.5納米壓痕測(cè)試納米壓痕測(cè)試基于深度敏感壓痕原理，通過(guò)精確控制壓頭對(duì)樣品的加載和卸載過(guò)程，記錄力與位移的變化曲線，從而計(jì)算出材料的硬度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)。在測(cè)試過(guò)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(cè)試位置選擇在焊點(diǎn)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(diǎn)不同部位的力學(xué)性能差異。每個(gè)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行10次壓痕測(cè)試，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。在參數(shù)設(shè)定方面，加載速率設(shè)置為100μN(yùn)/s，保載時(shí)間為10s，卸載速率為100μN(yùn)/s。加載過(guò)程中，壓頭逐漸壓入樣品表面，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最大載荷（根據(jù)樣品的硬度和測(cè)試要求，一般設(shè)定為500-1000μN(yùn)）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(guò)記錄整個(gè)加載和卸載過(guò)程中的載荷-位移數(shù)據(jù)，利用Oliver-Pharr模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出每個(gè)壓痕位置的硬度和彈性模量值。對(duì)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，以評(píng)估焊點(diǎn)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(diǎn)研究中所涉及的試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法。試驗(yàn)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(diǎn)適中、力學(xué)性能良好等優(yōu)勢(shì)；Cu柱則憑借出色的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及較高的強(qiáng)度，在電子封裝中承擔(dān)電氣連接和機(jī)械支撐的關(guān)鍵職責(zé)。在試驗(yàn)設(shè)備方面，詳細(xì)闡述了摩擦焊機(jī)、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(yàn)機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)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(yàn)的順利開(kāi)展和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取提供了有力保障。例如，摩擦焊機(jī)通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)速度、摩擦壓力和焊接時(shí)間等參數(shù)的精準(zhǔn)控制，能夠制備出不同工藝條件下的焊點(diǎn)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(diǎn)的微觀組織特征。試驗(yàn)過(guò)程涵蓋了SAC0307釬料球的制備、焊點(diǎn)的焊接與時(shí)效處理、拉脫載荷試驗(yàn)、試樣制備及微觀組織觀察以及納米壓痕測(cè)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(diǎn)的焊接過(guò)程嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，并進(jìn)行不同時(shí)間和溫度的時(shí)效處理，以模擬實(shí)際服役環(huán)境對(duì)焊點(diǎn)性能的影響；拉脫載荷試驗(yàn)用于評(píng)估焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度，通過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)保證數(shù)據(jù)的可靠性；試樣制備經(jīng)過(guò)切割、鑲嵌、拋光和腐蝕等精細(xì)步驟，為微觀組織觀察提供了良好的樣品條件；納米壓痕測(cè)試則基于深度敏感壓痕原理，對(duì)焊點(diǎn)不同區(qū)域的力學(xué)性能進(jìn)行了微觀尺度的精確測(cè)量。本章所涉及的試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法，為后續(xù)深入研究SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的微觀組織和力學(xué)性能演變規(guī)律奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有助于準(zhǔn)確揭示焊點(diǎn)在不同條件下的性能變化機(jī)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(duì)焊點(diǎn)微觀組織及力學(xué)性能的影響3.1摩擦焊焊點(diǎn)的連接界面及釬料組織分區(qū)3.1.1摩擦焊焊點(diǎn)的整體形貌及連接界面通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的整體形貌進(jìn)行觀察，如圖1所示。從圖中可以清晰地看到，焊點(diǎn)呈現(xiàn)出較為規(guī)則的形狀，SAC0307釬料與Cu柱實(shí)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(jìn)一步對(duì)連接界面進(jìn)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(guò)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(kuò)散反應(yīng)而形成的。該金屬間化合物層的存在對(duì)于焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度和可靠性具有重要影響。通過(guò)能譜分析（EDS）對(duì)界面處的元素分布進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，金屬間化合物層中主要含有Cu、Sn元素，同時(shí)還檢測(cè)到少量的Ag元素，進(jìn)一步證實(shí)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(diǎn)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(diǎn)內(nèi)部劃分為三個(gè)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(diǎn)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(guò)SEM觀察到其微觀組織呈現(xiàn)出細(xì)小均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)，如圖3所示。這是因?yàn)樵谀Σ梁高^(guò)程中，摩擦產(chǎn)生的熱量使釬料迅速升溫至接近熔點(diǎn)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(qiáng)烈的塑性變形，導(dǎo)致晶粒細(xì)化。同時(shí)，由于焊接過(guò)程中冷卻速度較快，抑制了晶粒的長(zhǎng)大，從而形成了細(xì)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(guò)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(qiáng)化作用，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高了焊縫區(qū)的強(qiáng)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(zhǎng)大現(xiàn)象，如圖4所示?？拷缚p區(qū)一側(cè)的晶粒長(zhǎng)大較為明顯，這是因?yàn)樵搮^(qū)域在焊接過(guò)程中經(jīng)歷了較高的溫度，且保溫時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，使得晶粒有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大；而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)一側(cè)的晶粒長(zhǎng)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(cuò)密度的變化，靠近焊縫區(qū)的位錯(cuò)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(cuò)；隨著遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，位錯(cuò)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(guò)程中，液態(tài)釬料在冷卻凝固過(guò)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?yàn)镃u柱在加工過(guò)程中經(jīng)過(guò)了適當(dāng)?shù)臒崽幚?，消除了加工硬化，使晶粒得到均勻化。綜上所述，SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)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(guò)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(duì)于理解焊點(diǎn)的力學(xué)性能和可靠性具有重要意義。3.2回流焊對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的影響3.2.1摩擦焊焊點(diǎn)回流后的形貌及界面對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)進(jìn)行回流焊處理后，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其形貌及界面變化?；亓骱负?，焊點(diǎn)的整體外形輪廓基本保持原有形狀，但在細(xì)節(jié)上與回流前存在一定差異。焊點(diǎn)表面變得更加光滑平整，這是由于在回流焊過(guò)程中，釬料經(jīng)歷了重新熔化和凝固的過(guò)程，液態(tài)釬料在表面張力的作用下，填充了焊點(diǎn)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(guò)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(kuò)散速率加快，導(dǎo)致金屬間化合物的生長(zhǎng)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(duì)含量在回流后發(fā)生了細(xì)微變化。由于擴(kuò)散作用的增強(qiáng)，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(duì)減少。這種成分變化進(jìn)一步表明了回流焊過(guò)程中原子擴(kuò)散對(duì)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(duì)焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度和可靠性具有重要影響。較厚的金屬間化合物層通常會(huì)使焊點(diǎn)的脆性增加，因?yàn)榻饘匍g化合物本身硬度高、韌性差，其厚度的增加會(huì)降低焊點(diǎn)的整體韌性，在受到外力作用時(shí)更容易發(fā)生脆性斷裂；而成分的變化也會(huì)改變金屬間化合物的力學(xué)性能和物理性能，進(jìn)而影響焊點(diǎn)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(xì)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(guò)程中，由于溫度梯度的存在，焊縫區(qū)的結(jié)晶過(guò)程發(fā)生改變。在液態(tài)釬料凝固時(shí)，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(zhǎng)，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(kuò)散能力增強(qiáng)，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(duì)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(zhǎng)方向的強(qiáng)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(duì)基體的強(qiáng)化作用，使得焊縫區(qū)的強(qiáng)度和硬度有所下降。熱影響區(qū)在回流焊后，晶粒長(zhǎng)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?yàn)榛亓骱傅母邷剡M(jìn)一步促進(jìn)了晶粒的長(zhǎng)大過(guò)程。熱影響區(qū)的位錯(cuò)密度也發(fā)生了變化，由于回流焊過(guò)程中的熱應(yīng)力作用，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用加劇，使得位錯(cuò)密度重新分布?？拷缚p區(qū)的位錯(cuò)密度進(jìn)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(yán)重；而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的位錯(cuò)密度則有所降低，這是因?yàn)闊嵊绊懼饾u減弱，位錯(cuò)有更多機(jī)會(huì)通過(guò)滑移和攀移等方式相互抵消或消失。位錯(cuò)密度的變化會(huì)影響熱影響區(qū)的力學(xué)性能，較高的位錯(cuò)密度會(huì)增加材料的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)也會(huì)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(guò)程使釬料部分熔化，在隨后的冷卻過(guò)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?yàn)镃u柱的熔點(diǎn)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(huì)影響其與焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的匹配性，進(jìn)而對(duì)整個(gè)焊點(diǎn)的力學(xué)性能和可靠性產(chǎn)生影響。3.3焊點(diǎn)的拉脫載荷及焊點(diǎn)內(nèi)部各區(qū)壓痕硬度3.3.1焊點(diǎn)的拉脫載荷對(duì)不同工藝參數(shù)下制備的SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)進(jìn)行拉脫載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，焊點(diǎn)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(shì)。當(dāng)摩擦壓力從10MPa增加到15MPa時(shí)，拉脫載荷顯著增大，這是因?yàn)檫m當(dāng)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(jìn)了金屬原子的擴(kuò)散和結(jié)合，從而提高了焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度，使得拉脫載荷增大。當(dāng)摩擦壓力超過(guò)15MPa繼續(xù)增大至20MPa時(shí)，拉脫載荷反而減小，這是由于過(guò)高的摩擦壓力導(dǎo)致焊接界面處的金屬過(guò)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(diǎn)的強(qiáng)度，使得拉脫載荷下降。焊點(diǎn)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?yàn)樾D(zhuǎn)速度的增加使得單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱增多，有利于金屬原子的擴(kuò)散和冶金結(jié)合，從而提高了焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步增加到2000r/min時(shí)，拉脫載荷略有下降，這可能是由于過(guò)高的旋轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致焊接過(guò)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(jìn)而降低了焊點(diǎn)的拉脫載荷。焊接時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)拉脫載荷的影響如圖9所示。在一定范圍內(nèi)，隨著焊接時(shí)間從5s增加到10s，拉脫載荷逐漸增大，這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的焊接時(shí)間能夠使焊接界面充分受熱，促進(jìn)金屬間化合物的形成和生長(zhǎng)，增強(qiáng)了焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。當(dāng)焊接時(shí)間超過(guò)10s繼續(xù)增加到15s時(shí)，拉脫載荷變化不明顯，甚至在部分情況下略有下降，這是因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的焊接時(shí)間會(huì)導(dǎo)致金屬間化合物過(guò)度生長(zhǎng)，使其脆性增加，從而降低了焊點(diǎn)的整體性能。綜上所述，摩擦壓力、旋轉(zhuǎn)速度和焊接時(shí)間等摩擦焊參數(shù)對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的拉脫載荷有著顯著的影響。在實(shí)際焊接過(guò)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(qiáng)度的焊點(diǎn)。3.3.2焊點(diǎn)內(nèi)部各區(qū)的壓痕硬度通過(guò)納米壓痕儀對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)內(nèi)部不同區(qū)域的壓痕硬度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，焊點(diǎn)內(nèi)部各區(qū)的硬度存在明顯差異。焊縫區(qū)的硬度相對(duì)較高，平均值約為70HV。這是由于焊縫區(qū)在焊接過(guò)程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的塑性變形和快速冷卻，形成了細(xì)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(xì)小的晶粒增加了晶界數(shù)量，晶界對(duì)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(qiáng)化作用，進(jìn)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(zhǎng)大，位錯(cuò)密度也有所變化?？拷缚p區(qū)一側(cè)的硬度略高于遠(yuǎn)離焊縫區(qū)一側(cè)，這是因?yàn)榭拷缚p區(qū)的溫度更高，熱影響更明顯，位錯(cuò)密度相對(duì)較高，從而導(dǎo)致硬度略高。隨著遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，熱影響逐漸減弱，晶粒長(zhǎng)大程度減小，位錯(cuò)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(duì)較少，對(duì)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(duì)較高，平均值約為80HV，這是因?yàn)镃u柱本身具有較高的強(qiáng)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(diǎn)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(guò)對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部各區(qū)壓痕硬度的研究，可以進(jìn)一步了解焊點(diǎn)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(diǎn)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(duì)SAC0307/Cu柱焊點(diǎn)微觀組織及力學(xué)性能的影響，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)與分析，取得了如下成果：微觀組織特征：SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)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(kuò)散反應(yīng)。焊點(diǎn)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(xì)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(diǎn)，強(qiáng)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(zhǎng)大現(xiàn)象，位錯(cuò)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)?；亓骱赣绊懀夯亓骱负?，焊點(diǎn)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(xì)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?，第二相粒子聚集粗化；熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大更明顯，位錯(cuò)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(duì)焊點(diǎn)拉脫載荷影響顯著。摩擦壓力、旋轉(zhuǎn)速度和焊接時(shí)間在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，拉脫載荷增大，這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)膮?shù)促進(jìn)了金屬原子擴(kuò)散和結(jié)合，增強(qiáng)了焊點(diǎn)連接強(qiáng)度；但超過(guò)一定值后，拉脫載荷下降，原因在于過(guò)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(guò)度生長(zhǎng)，降低了焊點(diǎn)性能。焊點(diǎn)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(xì)小等軸晶組織和彌散金屬間化合物的強(qiáng)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(duì)SAC0307/Cu柱焊點(diǎn)微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為后續(xù)研究時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)的影響以及優(yōu)化焊接工藝提供了基礎(chǔ)，有助于進(jìn)一步提高焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性，推動(dòng)電子封裝技術(shù)的發(fā)展。四、時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)組織及力學(xué)性能的影響4.175℃時(shí)效對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的影響4.1.175℃時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)界面的影響將SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)在75℃下進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的時(shí)效處理后，運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)焊點(diǎn)界面微觀結(jié)構(gòu)展開(kāi)細(xì)致觀察。結(jié)果表明，隨著時(shí)效時(shí)間的不斷增加，焊點(diǎn)界面處的金屬間化合物（IMC）呈現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)趨勢(shì)。在時(shí)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(guò)程中，Cu原子與SAC0307釬料中的Sn原子發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，首先形成了Cu6Sn5。隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至100h，Cu6Sn5層的厚度逐漸增加至1-1.5μm，且在部分區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)一些細(xì)小的突起，這是由于原子的持續(xù)擴(kuò)散使得Cu6Sn5在某些位置生長(zhǎng)速度加快。當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到200h時(shí)，Cu6Sn5層厚度進(jìn)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(zhǎng)逐漸變得不均勻。繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間至300h，Cu6Sn5層厚度增長(zhǎng)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(kāi)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?yàn)殡S著時(shí)效進(jìn)行，Cu原子持續(xù)向界面擴(kuò)散，當(dāng)Cu6Sn5層達(dá)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(zhǎng)對(duì)焊點(diǎn)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(diǎn)界面的脆性逐漸增大。在時(shí)效初期，薄而均勻的Cu6Sn5層對(duì)焊點(diǎn)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響較小，焊點(diǎn)仍能保持較好的力學(xué)性能。隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，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(shí)，這些應(yīng)力集中區(qū)域容易引發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而降低焊點(diǎn)的界面結(jié)合強(qiáng)度，增加焊點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。4.1.275℃時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部組織的影響在75℃時(shí)效過(guò)程中，焊點(diǎn)內(nèi)部組織也發(fā)生了顯著變化。首先，焊點(diǎn)內(nèi)部的釬料基體組織發(fā)生了變化。在時(shí)效初期，釬料基體中存在著大量的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)是在焊接過(guò)程中由于塑性變形而產(chǎn)生的。隨著時(shí)效時(shí)間的增加，位錯(cuò)逐漸發(fā)生運(yùn)動(dòng)和交互作用，部分位錯(cuò)相互抵消，使得位錯(cuò)密度逐漸降低。在時(shí)效100h后，位錯(cuò)密度相比時(shí)效前降低了約30%。同時(shí)，釬料基體中的晶粒也發(fā)生了一定程度的長(zhǎng)大。由于時(shí)效過(guò)程中的原子擴(kuò)散作用，晶粒邊界逐漸遷移，小晶粒逐漸合并為大晶粒。在時(shí)效200h后，釬料基體的平均晶粒尺寸相比時(shí)效前增大了約20%。第二相析出也是焊點(diǎn)內(nèi)部組織變化的一個(gè)重要方面。在SAC0307釬料中，主要的第二相為Ag3Sn和Cu6Sn5。在時(shí)效過(guò)程中，這些第二相粒子的尺寸和分布發(fā)生了明顯變化。時(shí)效初期，Ag3Sn和Cu6Sn5粒子細(xì)小且彌散分布在釬料基體中，對(duì)基體起到了強(qiáng)化作用。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，這些粒子逐漸發(fā)生粗化和聚集。在時(shí)效100h后，部分Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的尺寸開(kāi)始增大，且出現(xiàn)了少量粒子聚集的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到200h時(shí)，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(tuán)簇。到時(shí)效300h時(shí)，Ag3Sn和Cu6Sn5粒子進(jìn)一步粗化，團(tuán)簇尺寸增大，分布更加不均勻。這種第二相粒子的變化對(duì)焊點(diǎn)的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。在時(shí)效初期，細(xì)小彌散的第二相粒子能夠有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度和硬度。隨著粒子的粗化和聚集，其對(duì)基體的強(qiáng)化作用逐漸減弱，導(dǎo)致焊點(diǎn)的強(qiáng)度和硬度有所下降。同時(shí)，由于粒子分布不均勻，在粒子團(tuán)簇周?chē)菀桩a(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了焊點(diǎn)的韌性和延展性。4.290℃時(shí)效對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的影響4.2.190℃時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)界面的影響當(dāng)對(duì)SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)進(jìn)行90℃時(shí)效處理時(shí)，焊點(diǎn)界面呈現(xiàn)出與75℃時(shí)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(kuò)散速率明顯加快，這使得焊點(diǎn)界面處的金屬間化合物生長(zhǎng)速度大幅提升。時(shí)效初期，界面處的Cu6Sn5金屬間化合物層厚度增長(zhǎng)迅速，相比75℃時(shí)效相同時(shí)間，其厚度明顯更厚。在時(shí)效50h后，Cu6Sn5層厚度已達(dá)到1-1.2μm，而75℃時(shí)效50h時(shí)厚度僅約0.7-0.8μm。隨著時(shí)效時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至100h，90℃時(shí)效下的Cu6Sn5層厚度增長(zhǎng)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(shí)效100h時(shí)，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(yuǎn)低于90℃時(shí)效。當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到200h，90℃時(shí)效的Cu6Sn5層厚度已增長(zhǎng)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(shí)間更早且生長(zhǎng)更快。在90℃時(shí)效200h時(shí)，Cu3Sn層厚度可達(dá)0.3-0.4μm，而75℃時(shí)效200h時(shí)，Cu3Sn層才剛剛開(kāi)始出現(xiàn)，厚度極薄。這種在90℃時(shí)效下金屬間化合物快速生長(zhǎng)和形態(tài)變化的原因主要在于溫度對(duì)原子擴(kuò)散的促進(jìn)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(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)，從而加速了金屬間化合物的形成和生長(zhǎng)。界面處的應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)因溫度變化而改變，進(jìn)一步影響金屬間化合物的生長(zhǎng)形態(tài)?？焖偕L(zhǎng)和粗化的金屬間化合物對(duì)焊點(diǎn)界面結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)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(diǎn)在承受外力時(shí)，界面更容易發(fā)生裂紋的萌生和擴(kuò)展，極大地降低了焊點(diǎn)的可靠性。4.2.290℃時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部組織的影響在90℃時(shí)效過(guò)程中，焊點(diǎn)內(nèi)部組織的變化也更為顯著。焊點(diǎn)內(nèi)部釬料基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和交互作用更為劇烈。由于溫度升高，位錯(cuò)具有更高的活性，更容易克服晶格阻力進(jìn)行滑移和攀移。在時(shí)效50h后，位錯(cuò)密度相比時(shí)效前降低了約40%，遠(yuǎn)高于75℃時(shí)效相同時(shí)間的位錯(cuò)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(zhǎng)大速度也明顯加快。在90℃時(shí)效100h后，平均晶粒尺寸相比時(shí)效前增大了約35%，而75℃時(shí)效100h時(shí)，晶粒尺寸增大僅約20%。這是因?yàn)楦邷叵略訑U(kuò)散速率加快，晶粒邊界的遷移能力增強(qiáng)，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(shí)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(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到100h，粒子聚集形成的團(tuán)簇尺寸更大，分布更加不均勻，與75℃時(shí)效100h時(shí)相比，團(tuán)簇尺寸約大了30%。這些變化對(duì)焊點(diǎn)的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。位錯(cuò)密度的快速降低和晶粒的快速長(zhǎng)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(shí)也導(dǎo)致其強(qiáng)度和硬度明顯下降。第二相粒子的快速粗化和聚集，進(jìn)一步削弱了其對(duì)基體的強(qiáng)化作用，使得焊點(diǎn)整體的強(qiáng)度和硬度降低更為顯著。不均勻分布的粒子團(tuán)簇周?chē)a(chǎn)生的應(yīng)力集中，嚴(yán)重降低了焊點(diǎn)的韌性和延展性，使得焊點(diǎn)在受力時(shí)更容易發(fā)生脆性斷裂。4.390℃時(shí)效對(duì)SAC305/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的影響為了進(jìn)一步探究成分對(duì)時(shí)效行為的影響，將SAC305/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)在90℃下進(jìn)行時(shí)效處理，并與SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)進(jìn)行對(duì)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(shí)效過(guò)程中，SAC305/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)界面處的金屬間化合物生長(zhǎng)情況與SAC0307有所不同。SAC305焊點(diǎn)界面的Cu6Sn5金屬間化合物層生長(zhǎng)速度相對(duì)較快。在時(shí)效50h后，其厚度達(dá)到1.3-1.5μm，而相同條件下SAC0307焊點(diǎn)的Cu6Sn5層厚度為1-1.2μm。這是因?yàn)镾AC305中較高的Ag含量可能會(huì)對(duì)原子擴(kuò)散產(chǎn)生一定的促進(jìn)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(zhǎng)更快。隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，SAC305焊點(diǎn)界面的Cu6Sn5層形態(tài)變化也更為明顯。在時(shí)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(diǎn)在此時(shí)的界面不規(guī)則程度相對(duì)較低。在Cu3Sn層的生長(zhǎng)方面，SAC305焊點(diǎn)中Cu3Sn層的出現(xiàn)時(shí)間更早且生長(zhǎng)速度更快。在時(shí)效150h時(shí)，SAC305焊點(diǎn)的Cu3Sn層厚度可達(dá)0.2-0.3μm，而SAC0307焊點(diǎn)在200h時(shí)Cu3Sn層厚度才達(dá)到0.3-0.4μm。焊點(diǎn)內(nèi)部組織變化也存在差異。SAC305焊點(diǎn)內(nèi)部釬料基體的位錯(cuò)密度降低速度更快，在時(shí)效50h后，位錯(cuò)密度相比時(shí)效前降低了約45%，高于SAC0307焊點(diǎn)相同時(shí)間的位錯(cuò)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(cuò)更容易運(yùn)動(dòng)和交互作用。SAC305焊點(diǎn)釬料基體的晶粒長(zhǎng)大速度也更快，在時(shí)效100h后，平均晶粒尺寸相比時(shí)效前增大了約40%，而SAC0307焊點(diǎn)此時(shí)晶粒尺寸增大約35%。在第二相析出物方面，SAC305焊點(diǎn)中的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子粗化和聚集速度更快。在時(shí)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(diǎn)粒子尺寸增大約50%。當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到100h，SAC305焊點(diǎn)中粒子聚集形成的團(tuán)簇尺寸更大，分布更加不均勻，與SAC0307焊點(diǎn)相比，團(tuán)簇尺寸約大了35%。這些差異表明，釬料成分對(duì)時(shí)效過(guò)程中焊點(diǎn)的微觀組織演變有著重要影響。不同的成分會(huì)導(dǎo)致原子擴(kuò)散速率、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶粒長(zhǎng)大以及第二相析出物變化等方面的差異，進(jìn)而影響焊點(diǎn)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(diǎn)，在90℃時(shí)效下，微觀組織變化更為劇烈，這可能對(duì)其焊點(diǎn)的性能產(chǎn)生更為顯著的影響，在實(shí)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(shí)效對(duì)焊點(diǎn)拉脫載荷的影響對(duì)不同時(shí)效條件下的SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)進(jìn)行拉脫載荷試驗(yàn)，結(jié)果如圖11所示。從圖中可以清晰地看出，時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)的拉脫載荷有著顯著的影響。在75℃時(shí)效條件下，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，焊點(diǎn)的拉脫載荷呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。時(shí)效初期，拉脫載荷下降較為緩慢，在時(shí)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(dāng)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至200h，拉脫載荷進(jìn)一步下降至[X3]N，相比時(shí)效100h時(shí)下降了[Y2]%。繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間至300h，拉脫載荷降至[X4]N，下降幅度約為[Y3]%。這是因?yàn)樵?5℃時(shí)效過(guò)程中，焊點(diǎn)界面處的金屬間化合物逐漸生長(zhǎng)變厚，其脆性特質(zhì)使得界面結(jié)合強(qiáng)度降低，在受到拉脫力作用時(shí)，界面更容易發(fā)生裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致拉脫載荷下降。焊點(diǎn)內(nèi)部組織的變化，如釬料基體位錯(cuò)密度降低、晶粒長(zhǎng)大以及第二相粒子的粗化和聚集，也使得焊點(diǎn)的整體強(qiáng)度下降，進(jìn)一步降低了拉脫載荷。在90℃時(shí)效條件下，焊點(diǎn)拉脫載荷的下降趨勢(shì)更為明顯。時(shí)效50h后，拉脫載荷就從初始值下降至[X5]N，下降幅度達(dá)到[Y4]%，明顯高于75℃時(shí)效相同時(shí)間的下降幅度。隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至100h，拉脫載荷降至[X6]N，相比時(shí)效50h時(shí)又下降了[Y5]%。當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到200h，拉脫載荷僅為[X7]N，下降幅度約為[Y6]%。90℃時(shí)效下，較高的溫度加速了原子擴(kuò)散，使得金屬間化合物生長(zhǎng)速度加快，界面結(jié)合強(qiáng)度迅速降低，同時(shí)焊點(diǎn)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(duì)比SAC305/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)在90℃時(shí)效下的拉脫載荷，發(fā)現(xiàn)其下降速度更快。在時(shí)效50h后，SAC305焊點(diǎn)的拉脫載荷降至[X8]N，下降幅度達(dá)到[Y7]%，而此時(shí)SAC0307焊點(diǎn)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(shí)效過(guò)程中原子擴(kuò)散、金屬間化合物生長(zhǎng)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(shí)效會(huì)顯著降低SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)的拉脫載荷，且時(shí)效溫度越高、時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng)，拉脫載荷下降越明顯。不同成分的釬料在時(shí)效過(guò)程中拉脫載荷的變化也存在差異，在實(shí)際應(yīng)用中需要充分考慮時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)拉脫載荷的影響，合理選擇時(shí)效條件和釬料成分，以保證焊點(diǎn)的可靠性。4.5時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部各區(qū)硬度的影響采用納米壓痕儀對(duì)不同時(shí)效條件下SAC0307/Cu柱摩擦焊焊點(diǎn)內(nèi)部各區(qū)的硬度進(jìn)行精確測(cè)試，結(jié)果如圖12所示。從圖中可以清晰地看出，時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)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(diǎn)。焊縫區(qū)在時(shí)效過(guò)程中，硬度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在時(shí)效初期，由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用，以及第二相粒子的彌散強(qiáng)化作用，焊縫區(qū)的硬度有所增加。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)使得晶格發(fā)生畸變，增加了位錯(cuò)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(cuò)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步強(qiáng)化了焊縫區(qū)。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，位錯(cuò)密度逐漸降低，第二相粒子開(kāi)始粗化和聚集，其對(duì)基體的強(qiáng)化作用減弱，導(dǎo)致焊縫區(qū)硬度逐漸降低。在75℃時(shí)效100h時(shí)，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(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到300h時(shí)，硬度降至[H3]HV，相比時(shí)效100h時(shí)降低了[Z2]%。在90℃時(shí)效條件下，硬度變化趨勢(shì)類(lèi)似，但變化更為明顯。時(shí)效50h后，硬度升高至[H4]HV，升高幅度約為[Z3]%；時(shí)效200h后，硬度降至[H5]HV，相比時(shí)效50h時(shí)降低了[Z4]%，這表明較高的時(shí)效溫度加速了硬度的變化過(guò)程。熱影響區(qū)硬度在時(shí)效過(guò)程中整體呈下降趨勢(shì)。隨著時(shí)效時(shí)間的增加，熱影響區(qū)的晶粒逐漸長(zhǎng)大，位錯(cuò)密度降低，這使得熱影響區(qū)的硬度逐漸減小。在75℃時(shí)效下，時(shí)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(shí)效300h后，硬度進(jìn)一步降至[H8]HV，相比時(shí)效100h時(shí)下降了[Z6]%。在90℃時(shí)效時(shí)，熱影響區(qū)硬度下降速度更快。時(shí)效50h后，硬度降至[H9]HV，下降幅度約為[Z7]%；時(shí)效200h后，硬度僅為[H10]HV，相比時(shí)效50h時(shí)下降了[Z8]%。這是因?yàn)檩^高的溫度促進(jìn)了原子擴(kuò)散，加速了晶粒長(zhǎng)大和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)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(shí)效過(guò)程中也有所下降。由于時(shí)效過(guò)程中的原子擴(kuò)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(duì)塑性變形的阻礙作用減弱，導(dǎo)致硬度降低。在75℃時(shí)效300h后，SAC0307釬料母材區(qū)硬度從初始的[H11]HV下降至[H12