低Ag含量Sn-Ag-Zn系無(wú)鉛焊料的研究.pdf

1、目前共晶Sn-Ag-Cu焊料為最常用的無(wú)鉛焊料。但是由于共晶焊料中容易產(chǎn)生粗大的Ag3Sn金屬間化合物(IMC),造成可靠性下降。此外,由于Ag的成本較高也限制了共晶Sn-Ag-Cu焊料的使用。另一方面,商業(yè)化的低Ag焊料SAC105比共晶SAC305焊料在抗沖擊性能上更可靠,但是降低Ag含量會(huì)帶來(lái)熔融性能降低和強(qiáng)度降低,以及由此引起的可靠性問(wèn)題,因此SAC105焊料也未得到廣泛應(yīng)用。
　　本文以解決低Ag含量引起的熔融性能和強(qiáng)度

2、降低為目標(biāo),首先通過(guò)熱力學(xué)分析確定研究對(duì)象體系。通過(guò)熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),Sn-Ag-Zn體系焊料可以通過(guò)調(diào)整Zn含量來(lái)提高低 Ag焊料的熔融性能,而其它體系焊料不具備這一性質(zhì)。除此之外,相比Sn-Ag-Cu焊料,Sn-Ag-Zn焊料具有其它一些優(yōu)點(diǎn)例如強(qiáng)度、抗沖擊性能等等。目前業(yè)界需要一種具有良好熔融性能和力學(xué)性能的低Ag焊料,但是對(duì)于Sn-Ag-Zn焊料體系的研究主要集中在共晶成分附近,而低Ag含量Sn-Ag-Zn焊料還未見(jiàn)報(bào)道。因此,本

3、文后續(xù)研究以低Ag焊料Sn-Ag-Zn三元體系作為對(duì)象。
　　本文通過(guò)DSC分析、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)和室溫拉伸來(lái)研究焊料合金熔融、微觀組織和力學(xué)性能及其聯(lián)系;然后將焊料運(yùn)用于Cu和Ni/Cu基板制備成焊點(diǎn),經(jīng)過(guò)不同的熱老化環(huán)境后,通過(guò)剪切力測(cè)試研究焊點(diǎn)力學(xué)性能和熱老化可靠性,并對(duì)界面微觀形貌和斷口進(jìn)行了研究以確定斷裂機(jī)理;之后于三元合金體系添加第四組元來(lái)研究進(jìn)一步提高焊料性能的可靠性;最后通過(guò)電化學(xué)分析

4、來(lái)研究焊料的抗腐蝕性能。
　　通過(guò)對(duì)Sn-Ag-Zn體系焊料熔融性能、微觀組織和力學(xué)性能的系統(tǒng)研究。最后確定Sn-1.5Ag-2Zn和Sn-2Ag-2.5Zn兩個(gè)優(yōu)化配比及形成機(jī)理。優(yōu)化的Ag、Zn配比可以有效抑制焊料中的先共晶相的形成,并在共晶族間形成連續(xù)塑性良好的β-Sn界面。因此,優(yōu)化的配比不僅可以提高焊料的熔融性能和強(qiáng)度,還能大幅提升焊料的塑性,其熔融性能和強(qiáng)度超過(guò)共晶SAC305焊料,Sn-2Ag-2.5Zn焊料的塑性?xún)?yōu)

5、于SAC105焊料。
　　在回流焊接后,優(yōu)化焊料制備的Sn-1.5Ag-2Zn/Cu和Sn-2Ag-2.5Zn/Cu焊點(diǎn)在同樣具有良好的強(qiáng)度和韌性。研究發(fā)現(xiàn),回流過(guò)后的Sn-xAg-1Zn/Cu焊點(diǎn)會(huì)形成脆性界面,焊點(diǎn)強(qiáng)度和塑性大幅降低。添加焊料中的Zn含量至2wt.％以上可以有效提升焊點(diǎn)界面強(qiáng)度,使得焊點(diǎn)由焊料內(nèi)部發(fā)生斷裂。由于優(yōu)化配比的焊料有良好的力學(xué)性能,使得焊點(diǎn)的力學(xué)性能也得以提高。但是研究過(guò)程中也暴露出Sn-Ag-Zn/

6、Cu焊料的兩個(gè)缺點(diǎn):Sn-Ag-Zn焊料潤(rùn)濕性隨Ag含量降低而大幅下降;Sn-Ag-Zn/Cu焊點(diǎn)在150oC下長(zhǎng)時(shí)間老化后發(fā)生嚴(yán)重界面反應(yīng)的問(wèn)題。
　　150oC下Sn-Ag-Zn/Cu焊點(diǎn)界面反應(yīng)的問(wèn)題和Sn-xAg-1Zn焊點(diǎn)界面脆性的問(wèn)題可以通過(guò)Cu焊盤(pán)鍍Ni的方式來(lái)解決?；亓骱附雍骃n-Ag-Zn/Ni/Cu焊點(diǎn)的韌性要高于Sn-Ag-Zn/Cu焊點(diǎn)。在150oC長(zhǎng)時(shí)間老化后Sn-Ag-Zn/Ni/Cu界面也會(huì)形成顆粒狀

7、Ag3Sn IMC。由于Sn-xAg-1Zn焊料內(nèi)部存在Ag3Sn相,有利于界面Ag3Sn生長(zhǎng),所以Sn-xAg-1Zn/Ni/Cu焊點(diǎn)老化后力學(xué)性能下降比較大,而Zn含量高于2wt.%的焊點(diǎn)力學(xué)性能下降較小。同樣優(yōu)化配比的Sn-1.5Ag-2Zn/Ni/Cu和Sn-2Ag-2.5Zn/Ni/Cu焊點(diǎn)具有良好的強(qiáng)度和韌性。
　　添加Cr、Cu、Ni可以有效提高Sn-Ag-Zn焊料的潤(rùn)濕性,可有效避免因Sn-Ag-Zn焊料潤(rùn)濕性不足

8、而產(chǎn)生的焊接缺陷,使得焊點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)一步提高。但是過(guò)多添加會(huì)造成成分偏析,為了避免偏析,三種元素的添加量為0.05 wt.%Cr、0.1wt.%Cu、0.1 wt.%Ni。其中,回流焊接后添加 Cu的焊點(diǎn)塑性較差,從而韌性較差;而添加 Cr和Ni的焊點(diǎn)塑性沒(méi)有明顯變化,韌性較好。而在250oC,4小時(shí)回流焊接后添加Cr的焊點(diǎn)強(qiáng)度和韌性明顯下降,其原因可能是長(zhǎng)時(shí)間回流使過(guò)飽和固溶的Cr析出,因此添加Cr的焊料不適用于波峰焊和浸焊。而添加Ni和

9、Cu的焊點(diǎn)保持良好的韌性。
　　通過(guò)電化學(xué)腐蝕分析可以看到,Sn-Ag-Zn體系焊料的抗腐蝕能力介于Sn-Ag-Cu焊料和Sn-Zn焊料之間,而Sn-Ag-Zn焊料之間抗腐蝕能力差別不大。在Sn-xAg-1Zn焊料中,Sn-2Ag-1Zn焊料抗腐蝕性能較好;而Sn-2Ag-xZn焊料中,抗腐蝕性能隨Zn含量的上升而下降,但是Zn含量達(dá)到3wt.%時(shí)抗腐蝕能力改善。本次研究中,由于第四組元添加量較少,因此添加第四組元后對(duì)Sn-2Ag