亞共晶Sn-Zn合金無鉛電子焊料研究.pdf

1、各主要發(fā)達國家的相關環(huán)境保護法規(guī)的要求使世界各國、包括我國電子產(chǎn)業(yè)面臨以無鉛焊料代替?zhèn)鹘y(tǒng)錫鉛合金焊料的要求。當前被推出應用的主流無鉛焊料是共晶或近共晶的Sn-Ag-Cu系合金。但Sn-Zn合金因其低廉的成本、較低的熔點和良好的力學性能等明顯優(yōu)點而受到許多研究組的關注，成為下一代主流的無鉛焊料的候選材料之一。但該合金對銅等互連材料的潤濕性較差，成為它應用和發(fā)展的主要障礙和各國研究攻關的焦點。 國內外已有對Sn-Zn系焊料的研制都因

2、襲一般釬焊材料研制的思路，圍繞共晶合金Sn-9Zn進行。我們基于Zn的有害作用及Sn-Zn相圖的特點，提出Sn-Zn 合金焊料最佳成份未必是共晶點而可能是在適當降低Zn含量的亞共晶范圍。我們就此進行了多方面實驗研究，包括Zn含量對Sn-Zn/Cu體系潤濕性、界面結構、界面結合強度的影響、對Sn-Zn合金組織、拉伸性能與抗蠕變性能的影響和合金化對所選亞共晶Sn-Zn合金的改性作用。研究取得了以下主要結果和認識進展。 1、針對回流焊

3、工藝的潤濕鋪展率測量實驗和針對波峰焊工藝的潤濕力測量實驗中都顯示，Sn-Zn合金對Cu的潤濕性在Sn-6.5Zn附近呈現(xiàn)峰值。原因是Zn一方面對潤濕性有害，另一方面又能降低合金熔點而有利于潤濕性。Zn對Sn-Zn焊料潤濕性的有害作用不能用Zn的表面張力高于Sn來解釋。Zn有害于潤濕性的原因之一是它使合金表面形成Zn0，而Zn0與助焊劑的基體成份松香會發(fā)生相互作用使之稠化乃至硬化，阻礙助焊劑發(fā)揮其助焊作用。降低Zn含量能夠減少Zn0形成的

4、量，減緩或抑制這種稠化作用，從而提高合金潤濕性。系統(tǒng)的實驗研究已發(fā)現(xiàn)，存在一個臨界Zn0摻雜濃度，低于該濃度時松香不發(fā)生稠化轉變。 2、在非平衡加熱條件下(≥5℃/min)，Sn-6.5Zn的熔點與熔化行為與Sn-9Zn共晶合金沒有可測區(qū)別。就實際使用而言，Sn-6.5Zn焊料不會比共晶合金熔點更高。 3、當Zn含量在0.7％wt以上范圍內，亞共晶Sn-Zn合金與Cu的焊點界面相組成與共晶Sn-Zn的一致，但界面化合物層

5、厚度隨Zn焊料降低而近線性降低。這是降低Zn含量的另一個優(yōu)點。與潤濕性相一致，焊點的最大剪切抗力在Zn含量6.5％wt處最高。 4、在空冷凝固條件下，共晶合金Sn-9Zn除共晶組織外尚有粗大的條狀富Zn相出現(xiàn)，而亞共晶的Sn-6.5Zn則反而呈現(xiàn)完全的共晶組織，不出現(xiàn)條狀富Zn相。只有在隨爐緩慢冷卻條件下，Sn-9Zn方形成完全的共晶組織。因此亞共晶的Sn-6.5Zn合金焊點在顯微組織上較之共晶合金也有優(yōu)勢。 5、Sn-

6、Zn合金(Zn含量≥2.5％wt)的抗蠕變強度都遠高于傳統(tǒng)的Sn-37Pb焊料，同時都略遜于當前使用的無鉛焊料 Sn-3.5Ag-0.7Cu。Sn-Zn合金的抗蠕變性能對Zn含量不敏感，在2.5～9％wt范圍內，所測得的各合金室溫穩(wěn)態(tài)蠕變速率與載荷的雙對數(shù)都呈良好的直線關系，蠕變應力敏感因子n非常接近，都在 3.15～3.3之間，對應于晶界(相界)擴散機制為主的蠕變。在兩種拉伸速率(10<'-3>/s及10<'-1>/s)下，Sn-Zn

7、合金的拉伸強度對Zn含量也不敏感，維持在與Sn-9Zn相同的水平上，而塑性則隨Zn含量下降有明顯提高。就力學性能而言，相對于共晶點適當降低Zn含量不會造成可觀的強度損失，而塑性則還有所提高。 6、與對Sn-9Zn 合金化改性研究結果類似，添加Cu (2％wt)、Bi(39％wt)或P(0.5％wt)都能進一步改善Sn-6.5Zn對Cu的潤濕性，而對合金組織、力學性能和一些相關物理性能則沒有明顯不良影響，7、Sn-6.5Zn的耐助