0 前言

随着高端电子产品不断向微型化、多功能化、绿色化方向发展，对电子封装提出了更高的要求。封装厚度越薄，机械互连和电互连可靠性越高，同时还要求良好的散热界面。因而探索开发新型无铅、低温连接高温服役的互连技术非常迫切[1]。Sn-Bi系钎料合金具有良好的强度和较低的熔点，被广泛应用在分级封装中的外层封装中。目前钎料/基板的组合仍是主要的连接方式，且封装焊点的尺寸日益减小。考虑到焊点同时具有机械连接、电气连接和散热等作用，因此电子元器件焊点的热可靠性成为研究热点[2-3]。

但Sn-58Bi钎料焊点在使用过程中易在焊点处发生脆性断裂，从而严重影响焊点的可靠性[4]。为模拟焊点的真实使用环境，对焊点的可靠性进行研究，通常对器件进行加速寿命试验[5]。曹聪聪等人[6]对热循环处理下Sn2.5，Ag0.7，Cu0.1，RExNi/Cu钎焊点组织界面与力学性能研究。结果表明，随着热循环次数的增加，焊点的界面层厚度逐渐增厚且粗糙度逐渐增加，并伴随着剪切强度下降。添加微量的Ni能够降低IMC的厚度和粗糙度，抑制IMC生长，减缓焊点剪切强度的降低。何鹏等人[7]研究了碳纳米管在钎料合金中的形态以及碳纳米管对Sn-58Bi合金焊点拉脱强度的影响。结果表明，碳纳米管在焊点中呈弥散分布，使钎料的组织得到细化，并通过影响焊点的微观断裂机制，提高焊点的可靠性。刘海祥等人[8]研究了Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点在不同温度、应力和电流密度下的抗剪切蠕变性。结果表明，随着温度、应力和电流密度的逐渐增加，Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的抗蠕变性能均逐渐降低。添加碳纳米管(CNTs)后，复合钎料焊点的稳态应变速率均降低。添加CNTs可以提高焊点的抗蠕变性能。郭兴东等人[9]对苛刻热循环下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊界面IMC及接头性能的研究表明，苛刻热循环下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu钎焊界面IMC由(Cu, Ni)6Sn5和Cu3Sn相组成；随热循环周期的增加，IMC平均厚度和粗糙度增大，接头剪切强度降低；在100个热循环周期内，随热循环周期增加，Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头剪切断口由钎缝处的韧性断裂向以韧性为主的韧-脆混合断裂转变。

CNTs具有卓越的物理、机械、电气和热性能，被广泛的应用到聚合物、金属和陶瓷中形成复合材料。研究人员已证明CNTs颗粒能够增强钎料焊点微观组织和力学性能。然而对于在热循环过程中CNTs颗粒如何影响Sn-Bi钎料方面开展的研究工作较少。文中研究了在热循环过程中微量CNTs颗粒对Sn-58Bi钎料接头的微观组织、界面IMC形貌、厚度变化及焊点抗拉强度和拉伸断口形貌的变化规律，为Sn-58Bi钎料在电子封装的推广应用提供了理论支撑。

1 试验材料及方法

Sn-58Bi合金粉末颗粒直径为25～75 μm，增强颗粒为直径10～20 nm、长度为40～50 μm的CNTs(图1)。采用熔炼法制备Sn-58Bi-0.03CNTs复合钎料，在KSL-1200X真空电弧炉加热熔化，加热温度为550 ℃，保温3 h。采用F4N型回流焊机制备Sn-58Bi-xCNTs焊点接头。用TK-100型快速温变试验箱进行热循环试验，热循环温度为-30 ～125 ℃，升温速度为10 ℃/min，降温速度为6 ℃/min，其中高、低温保温时间各为10 min，温度变化曲线如图2所示，循环周次为200，400，600，800，1 000。采用OLYMPUS GX51对焊接接头的钎料微观组织和IMC层形貌进行观察分析。采用DT2000图像分析软件对界面IMC层厚度进行测量。采用PTR1102型强度结合测试仪测试焊点接头拉伸强度，钎焊接头的拉伸试样尺寸为20 mm×1 mm×0.9 mm，拉伸速率为0.04 mm/s，测量三组数据取其平均值。采用JSM-IT300型扫描电子显微镜(SEM)观察焊点的拉伸断口形貌。

综上所述，本研究证实了茶碱缓释片和多索茶碱均能改善轻度支气管哮喘患者肺功能，两者疗效近似，但多索茶碱安全性好于茶碱。

  

图1 CNTs颗粒形貌

  

图2 热循环曲线示意图

2 试验结果及分析

2.1 热循环对钎料微观组织的影响

图7为不同循环周次下焊点界面处IMC厚度的对比。由图可知，随着热循环周次的增加，不同循环周次下焊点界面IMC厚度均呈上升趋势，且CNTs颗粒的添加较好的抑制了Sn-58Bi焊点界面IMC厚度的增大[11]。热循环过程中，Cu原子穿过界面扩散到基体中，与Sn原子反应形成Cu6Sn5化合物。促使焊点界面IMC厚度增加。而CNTs的添加弥散分布在晶界处，阻碍了Cu原子的扩散，抑制化合物Cu6Sn5的形成。晶体中不同的晶界表面活性剂的吸附量是不相同的，晶界表面张力越大，晶界表面活性剂的吸附量也越大。CNTs的吸附作用不仅抑制了晶粒的生长，而且有效的阻止合金在结晶的过程中Cu元素的扩散。

现在人民生活水平逐渐提高，伴随着膳食结构的调整，对优质的牛羊肉的需求与日俱增，锡林郭勒草原牛羊肉凭借着营养全含量高、肉质鲜嫩、风味独特等特点，为锡林郭勒草原畜牧业提供了广阔的市场前景及机遇；为人们提供了优质、营养全面的草原牛羊肉产品。同时，为大力发展优质草原牛羊肉的生产奠定了一定的基础。对开发锡林郭勒草原牛羊肉具有较高的经济价值和广阔的市场前景，也为推动锡林郭勒畜牧业发展及经济发展有着重要的意义。

  

图3 不同的热循环次数条件下的Sn-58Bi焊点的显微组织形貌

  

图4 不同的热循环次数条件下的Sn-58Bi-0.03CNTs焊点的显微组织形貌

2.2 热循环对焊点界面IMC的影响

热循环周次对Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu焊点抗拉强度的影响如图8所示。随着热循环周次的增加，焊点的抗拉强度均呈下降的趋势，Cu/Sn-58Bi/Cu和Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点的抗拉强度由未经热循环处理时的66.8 MPa和84.5 MPa分别减小至热循环周次1 000次时的53.8 MPa和70.1 MPa。热循环周次增加，焊点界面IMC的生长加快，且界面IMC层化合物和Cu板之间的热膨胀系数不同，造成孔洞及裂纹的大量出现，金属间化合物的脆性也可降低焊点可靠性，从而导致焊点抗拉强度降低[12]。另一方面随着热循环周次的增加，微观组织逐渐粗化，界面处IMC层厚度增加，脆硬的Cu6Sn5和Sn基体界面在拉应力作用下可提供裂纹形核点并沿着界面扩展，从而不利于焊点的力学性能[13-15]。

不同热循环周次Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu焊点微观组织形貌如图3和图4所示。Sn-58Bi主要为层片状共晶组织，由黑色的富Sn相和白色的富Bi相组成，如图3a所示。随着热循环周次的增加，富Bi相组织不断粗化，微观组织间距逐渐增大。这是因为随着热循环周次的增加，富Bi相的扩散作用显著。对比图3和图4可知，同等热循环周次下，Sn-58Bi-0.03CNTs复合钎料的微观组织较为细化，表明适量CNTs颗粒可以细化Sn-58Bi钎料的微观组织，减缓热循环过程中钎料微观组织的长大趋势。CNTs具有较强的钉扎作用，弥散分布于晶界处，且CNTs与钎料中的Sn原子和Bi原子产生非反应润湿，一部分CNTs嵌入到Sn晶体中，作为异质形核点(图11)。另外，纳米颗粒CNTs所具有的表面活性使其通过表面吸附作用而降低钎料基体的表面能，从而抑制其微观组织的长大。

2.3 热循环对焊点抗拉强度的影响

Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu焊点在不同热循环周次下的界面IMC层界面微观组织形貌如图5～6所示。Sn-58Bi焊点界面IMC层呈扇贝状，如图5a所示。随着热循环周次的增加，界面IMC层厚度逐渐增加且形状逐渐平整。钎料与基体Cu之间通过已经形成的Cu6Sn5发生Cu和Sn原子的相互扩散，形成新的界面化合物，促进了界面IMC的生长。Cu原子在Cu板-IMC层界面处具有较高浓度和高扩散速度，易于在界面处形成Cu6Sn5，使得界面层厚度逐渐增加且形态逐渐趋于平整[10]。

通过营造氛围提高大学生对职业生涯规划的重视，让他们自发进行规划，从而提升自我认知能力以及对外部环境的了解，并以此为基础制定自我提升计划。要想提高大学生对职业生涯规划的重视就需要从学校到教师再到大学生自身，形成一条不间断的重视链条，由学校要求到教师重视，为学生营造一个较好的规划意识环境，再从教师到学生，组成针对性的规划主体行动者，教师提供指导，学生在指导下进行科学合理的规划。

  

图5 不同的热循环次数的条件下的Sn-58Bi界面IMC层形貌

  

图6 不同的热循环次数的条件下的Sn-58Bi-0.03CNTs界面IMC层形貌

  

图7 不同循环周次下焊点界面IMC厚度

  

图8 不同热循环周次下的焊点的抗拉强度

2.4 热循环对焊点拉伸断口形貌的影响

不同热循环次数下Cu/Sn-58Bi/Cu及Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点接头拉伸断口形貌如图9和图10所示。当热循环的周次达到1 000周次时，Cu/Sn-58Bi/Cu焊点拉伸断口中韧窝较未经热循环处理时尺寸大且数量少，焊点接头断口由韧窝和解理花样组成，其断裂机制从韧性断裂转变为韧-脆混合断裂模式。Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点拉伸断口形貌在热循环处理前后无明显变化，存在大量的韧窝，且韧窝尺寸较大，有少量解理花样，断裂机制均为韧性断裂。随着热循环次数的增加，Cu/Sn-58Bi/Cu和Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点接头中的Cu6Sn5和钎料微观组织均粗化，Cu6Sn5和钎料界面处形成的微裂纹在拉应力的作用下快速沿着界面方向长大而呈现撕裂状，从而形成解理面。图11所示为Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点热循环1 000次拉伸断口SEM形貌，从图中可以看出断口中出现碳纳米管被拔出。这可能是由于CNTs与钎料产生了相互连接的作用，抑制了裂纹萌生长大的过程，而CNTs可以吸收部分裂纹产生的应力集中，消耗外界加载的部分能量来延缓裂纹长大的速度，从而增加复合钎料的强度和韧性[16-19]。在相同的热循环次数条件下，Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊接接头的韧窝较Cu/Sn-58Bi/Cu细小且数量较多。CNTs细化了Cu/Sn-58Bi/Cu焊点接头微观组织，且分布于晶界处的CNTs提高了晶界强度，晶内的CNTs在塑性变形过程中阻碍位错运动，使应力分布更为均匀，从而导致Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu接头的拉伸强度较高且塑性更好。

  

图9 Cu/Sn-58Bi/Cu焊点拉伸断口形貌

  

图10 Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点拉伸断口形貌

  

图11 Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点热循环1 000次拉伸断口在高倍下SEM形貌

3 结论

(1)随着热循环周次的增加，钎料微观组织均出现了粗化现象。且在同一热循环条件下，Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu微观组织较为细小，CNTs颗粒的添加可有效抑制富Bi相的粗化。

(2)焊点界面IMC层厚度均随着热循环周次的增加而出现不断增厚的趋势，且CNTs颗粒增强Sn-58Bi复合钎料焊点界面IMC层长大的趋势较为缓慢。

(3)随着热循环周次的增加，焊点的抗拉强度均呈下降的趋势。Cu/Sn-58Bi/Cu和Cu/Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点的抗拉强度由未经热循环处理的66.8 MPa和84.5 MPa分别减小至热循环周次1 000次时的53.8 MPa和70.1 MPa。

(4)热循环处理后的Cu/Sn-58Bi/Cu焊点和Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点拉伸断口形貌主要由韧窝和少量解理面组成，Cu/Sn-58Bi/Cu焊点的断裂机制从韧性断裂转变为韧-脆混合断裂模式，Sn-58Bi-0.03CNTs/Cu焊点的断裂机制均为韧性断裂。

其次，应加大对现有农业从业人员的知识培训，提高生产技能和科学意识，才能够最直接地将科学技术化为现实生产力。

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