Sn-Ag-Zn系無鉛焊料及其連接界面組織形成與演化規(guī)律.pdf

1、在我國無鉛產(chǎn)品已正式產(chǎn)業(yè)化近三年時間，但許多相關(guān)專利仍由外國把持。為研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能無鉛焊料，本文選取性能優(yōu)越的Sn-3.7Ag-0.9Zn共晶合金為研究對象。首先，通過對凝固速率改變、成分配比調(diào)整、微合金化及顆粒增強(qiáng)相引入，系統(tǒng)研究了以上因素對共晶Sn-Ag-Zn合金組織形成過程的影響，并采用時效處理模擬了焊點(diǎn)的服役過程，揭示其組織中各相的演化規(guī)律；其次，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了以上各個因素對共晶Sn-Ag-Zn合金性能的影響，

2、比較了不同合金的強(qiáng)化機(jī)理及斷裂機(jī)制；最后，結(jié)合保溫時間、合金組元成分配比、微合金化及顆粒增強(qiáng)對共晶Sn-Ag-Zn合金與Cu基板的連接界面的影響，對連接界面處金屬間化合物的形成過程進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。上述研究所獲得的主要結(jié)論有：
　　 共晶Sn-S.7Ag-0.9Zn(重量百分比)合金組織隨冷卻速度增大的變化規(guī)律為：平衡共晶組織(β-Sn、Ag3Sn和ζ-AgZn)→水冷偽共晶組織(β-Sn、Ag3Sn和β-AgZn)→快速凝固β-

3、Sn枝晶組織。在時效處理過程中平衡組織穩(wěn)定性好，而水冷態(tài)及快冷態(tài)組織變化較大，為減小體系內(nèi)能，細(xì)小金屬間化合物顆粒及β-Sn枝晶均發(fā)生聚集長大。當(dāng)Sn-Ag-Zn合金成分發(fā)生變化時，隨Ag(0.3～3.7)含量的增加，合金組織中的金屬間化合物由富Zn相向富Ag相逐漸轉(zhuǎn)變(ε-AgZn3→γ-Ag5Zn8→ζ-AgZn→Ag3Sn)。隨Zn含量的增加(0～3.0)，合金熔體中的先析出相由Ag3Sn變?yōu)棣?Sn相，金屬間化合物由富Ag相向富

4、Zn相逐漸轉(zhuǎn)變(Ag3Sn→ζ-AgZn→γ-Ag5Zn8)。In元素加入后，由于Ag3Sn相和AgZn相對In原子的吸附，改變了兩種金屬間化合物各晶面的相對生長速度，破壞了原平衡合金組織的均勻性，生成了相同相組成的條狀金屬間化合物。Al的加入抑制了原平衡組織中AgZn相和Ag3Sn相的析出，取而代之的是Ag2Al相。
　　 微米SiC和Cu顆粒增強(qiáng)Sn-3.7Ag-0.9Zn復(fù)合焊料的組織中都出現(xiàn)了β-Sn枝晶，且隨顆粒加入量

5、的增多，β-Sn枝晶及金屬間化合物尺寸均得到細(xì)化。增強(qiáng)相顆粒在凝固過程中，能夠提供形核位置，降低形核勢壘，增大形核率，促進(jìn)形核，增大結(jié)晶速度，抑制熔體過冷，細(xì)化了組織，提高了合金的凝固溫度。與SiC顆粒不同，Cu顆粒加入后，導(dǎo)致Sn與Cu生成金屬間化合物Sn-Cu相包圍Cu顆粒生長，但生成的金屬間化合物Sn-Cu相起到了與SiC顆粒相似的作用。高溫時效后，金屬間化合物Ag-Zn相依附于金屬間化合物Sn-Cu相析出，并將其包覆住，阻止了金

6、屬間化合物的進(jìn)一步粗化。因此，可通過控制加入Cu增強(qiáng)相顆粒的大小，對復(fù)合焊料中金屬間化合物相的尺寸加以控制，獲得與基體界面結(jié)合良好的增強(qiáng)相。
　　 共晶Sn-Ag-Zn合金的顯微硬度隨凝固速度的增大而提高，其原因是快速凝固細(xì)化了晶粒，導(dǎo)致細(xì)晶強(qiáng)化。而由于時效過程中原子的擴(kuò)散，造成組織粗化，使得時效后合金變軟。發(fā)現(xiàn)In的加入提高了原合金的硬度及強(qiáng)度，降低了熔點(diǎn)，起到了積極作用；與此同時，組元Al的加入雖然大大提高了硬度，但提高了熔

7、點(diǎn)，降低了合金與Cu板的潤濕性，而且使得合金的脆性急劇增加，延展性下降，且隨Al加入量的增加，其斷裂機(jī)制由韌性向脆性轉(zhuǎn)變，造成不利影響。顆粒增強(qiáng)復(fù)合焊料由于硬質(zhì)顆粒的引入，本身就具有增強(qiáng)較軟基體的效果，另外，顆粒加入后使得組織細(xì)化，晶界數(shù)目增加，且增強(qiáng)相顆粒有助于釘扎位錯等，使得合金性能得到提高，熔點(diǎn)降低。
　　 通過控制共晶Sn-Ag-Zn合金與Cu基板在250℃的保溫時間(1、5和10min)發(fā)現(xiàn)：隨保溫時間的延長，界面處金

8、屬間化合物層由Cu5Zn8相和Cu6Sn5相兩層轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌覥u6Sn5相組織且厚度增加。其它合金與Cu基板在250C反應(yīng)1min后只在界面處形成單層Cu6Sn5相金屬間化合物，其中Ag的加入對Cu和Sn之間的相互擴(kuò)散起到了一定的阻礙作用，隨著Ag含量的升高，金屬間化合物層變??；隨著Zn含量的提高，界面處的金屬間化合物層的轉(zhuǎn)變規(guī)律為：Cu6Sn6→Cu6Sn5+Cu5Zn8→Cu5Zn8：尤其發(fā)現(xiàn)了隨著Al含量的提高，由于金屬間化合物Al