软钎料合金与接头在极限环境下的微观组织演变与损伤

Soldered joints of electronic circuits on spacecraft will be suffering the harsh environment such as high temperature, extremely low temperature, over wide temperature ranges, ultra vacuum and radiation in the deep space, in the addition, the solder alloys and the joints are the most easily damaged parts in electronic structures since their characteristics are heavily dependent on environmental conditions expecialy temperature. The mission of this project is to measure the strain-streee curves of Sn, Pb, In and Au based solder alloys in the temperature range of -200 to +200 degrees Celsius，to observe the micro mechanical behaviors of the solder alloy and joints and physical process at the front of crack tips by in-site SEM and HRTEM testing, and then to obtain the damage rule of the soldered joints in the harsh environments. The first-principle calculation will also be carried out to investigate the relationship between void density, crack generation, initiation and propagation to microstructure and alloying elements in theory. The studied results above are expected to be contribute theoretical basis to the design and manufacturing of electronic devices that will be used to future space vehicles.

空间环境下电子电路焊点会承受高温、极低温、大温差以及高真空、辐照等严酷环境，而软钎料是电路结构中最易受环境条件影响而变化、最为脆弱的部分。观测钎料、界面在高、低温下的微观组织演变；研究承受热应力、辐照、高真空时的材料和界面损伤；获得高低温变化范围内的力学本构关系；探究钎料合金、界面在纳微观的力学行为等，对于评估电子电路焊点在空间严酷环境下的力学行为、失效机理以及服役寿命是至为重要的基础科学问题。本项目将通过对Sn基、Pb基、In基等钎料合金在－200～＋200摄氏度范围内的应力应变性能、冷脆转变行为进行测试，在SEM、TEM、激光共聚焦显微镜下原位观测不同温度、形变速度下的合金、连接界面的变形行为及裂纹尖端的物理过程，获得接头损伤的实验规律。采用第一性原理方法分析空穴密度、裂纹萌生及扩展与合金元素及组织的关系。期望以上研究的成果对航天、空间电子仪器、通讯设备的设计和制造提供理论依据。

研究发现Cu提高了锡合金的冲击功，而Ag的加入使Sn3.5Ag、Sn36Pb2Ag及SAC305合金的韧脆转变温度右移升高10℃以上到-40℃；Sn37Pb合金的韧脆转变不明显，其冲击功远远小于以上合金；Pb10Sn合金在此温度范围内断裂模式均为塑形断裂，而Au20Sn均为脆性断裂且冲击功很小。随着温度的降低，锡基合金的断裂模式从穿晶断裂为主向沿晶断裂转移。.随着温度的降低纯锡、Sn37Pb、Sn3.5Ag合金的静态拉伸强度和屈服强度近似以直线上升，在150 ºC附近达到最大值。发现从室温到极低温，纯锡的变形机制从位错滑移为主向滑移与孪晶共存，而在150ºC~-196 ºC，孪晶变为主要的变形机制。发现了在极低温环境下变形后的锡及其合金恢复到一定温度时发生显著的回复和再结晶。.植核会促进相变的发生，植核量越多，促进效果越明显；压缩变形对相变有一定的促进作用，形变量越大，促进效果越明显；杂质元素含量会影响相变的发生和转化速度。设计了能够准确的检测到样品中β/α相变发生及灰锡转变比例的准原位体积检测装置。.研究发现随着测试温度的降低，Sn37Pb、Sn36Pb2Ag及Sn3.5Ag钎焊接头的剪切强度上升，在-130~-150℃附近达到极大值后下降。分析表明，在-130~-150℃区间断裂位置从钎料体内部向连接界面的IMC处转移，发生了韧脆转变；Sn37Pb/Cu钎焊接头的拉伸强度随温度的下降上升，随着应变率的升高而降低。.150℃下高温老化处理在初期提高了Sn3.5Ag合金的低温冲击韧性，老化2天合金韧脆转变温度达到最低。随着老化时间的继续增加，合金的韧脆转变温度先降低后升高。.-196℃贮存15h后，富锡相的弹性模量升高80%，而富铅相的弹性模量仅升高12.5%，低温贮存对富锡、富铅两相的力学性能或物理性能的影响有显著区别。.发现了在极低温环境下变形后的锡及其合金恢复到一定温度时发生显著的回复和再结晶。.Sn37Pb/Cu焊点低温贮存试验，随着在-196℃下贮存时间的增加，合金中富Pb相趋于向界面富集。.发现随着高温贮存时间的延长，在含银钎料中出现第二相的析出与融合。该现象伴随着韧脆转变温度的变化。合金中的Ag3Sn IMC颗粒趋于在晶界处富集，沿晶断口晶界处Ag3Sn颗粒内部出现大量位错。