低熔點(diǎn)Sn-Zn系無(wú)鉛焊料研究.pdf

1、Pb是一種有毒物質(zhì)。電子產(chǎn)品中由于使用了大量含Pb的焊料進(jìn)行封裝，因此對(duì)人類健康造成了嚴(yán)重的威脅。隨著RoHS指令(關(guān)于在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令)和WEEE指令(關(guān)于廢舊電子電氣設(shè)備指令)在歐盟議會(huì)獲得批準(zhǔn)，電子產(chǎn)品在2006年7月1日后將禁止含Pb。因此，世界各國(guó)目前正在積極開展無(wú)鉛焊料領(lǐng)域的研究，其中Sn-Zn系焊料由于熔點(diǎn)最為接近傳統(tǒng)焊料，有望成為新一代的無(wú)鉛焊料。然而，Sn-Zn二元合金在銅表面的潤(rùn)濕性差、且抗氧

2、化性不良，不能直接用于電子產(chǎn)品。近幾年來(lái)，采用合金化方法改善Sn-Zn系焊料潤(rùn)濕性的研究取得了一定的進(jìn)展，并且已有少量的Sn-Zn系合金投入實(shí)際應(yīng)用。但是，由于Sn-Zn系合金的潤(rùn)濕性、抗氧化性問(wèn)題并沒有得到根本解決，在實(shí)際生產(chǎn)中往往要求增加焊劑活性或氣氛保護(hù)以幫助焊料獲得良好的潤(rùn)濕，因此這種焊料難以被推廣應(yīng)用。 本論文以具有應(yīng)用潛力的Sn-Zn-Bi合金為研究對(duì)象，以提高焊料的潤(rùn)濕性為主要研究目標(biāo)，綜合考慮合金的熔點(diǎn)、熔程及力

3、學(xué)性能，對(duì)Sn-Zn-Bi焊料進(jìn)行了成分的優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)加入少量或微量的其它合金元素(Nd、La、In)，進(jìn)一步提高了Sn-Zn-Bi焊料的潤(rùn)濕性和抗氧化性等性能，形成了具有優(yōu)良綜合性能的成分配方。此外，本文還采用時(shí)效的方法研究了幾種優(yōu)選合金與Cu基底焊后接頭的界面擴(kuò)散及界面生長(zhǎng)行為，以及擴(kuò)散反應(yīng)層的生長(zhǎng)對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響。 合金元素Bi的加入不僅能夠降低Sn-Zn系焊料熔體的表面張力，而且能夠降低焊料/Cu接頭的界面

4、張力，因而提高了Sn-9Zn-xBi焊料的鋪展性。當(dāng)合金中Bi含量達(dá)到6﹪時(shí)，最大氣泡壓力法測(cè)得的焊料熔體在240℃下的表面張力接近Sn-40Pb合金的表面張力。理論計(jì)算進(jìn)一步證明Bi能夠有效降低Sn-Zn系焊料的表面張力，其作用機(jī)理是Bi原子在焊料熔體表面的富集作用。潤(rùn)濕平衡實(shí)驗(yàn)表明，Sn-Zn系焊料中添加Bi后，焊料在Cu基底上的潤(rùn)濕力明顯提高，而潤(rùn)濕時(shí)間明顯縮短。運(yùn)用相關(guān)的力學(xué)理論推導(dǎo)，可以證明焊料潤(rùn)濕力的提高與焊料/Cu界面的界

5、面張力降低直接相關(guān)。 雖然Zn含量的增加會(huì)導(dǎo)致Sn-Zn-Bi三元合金熔體表面張力提高，但合金在Cu基底上的鋪展面積卻隨Zn含量的增加而增大，這是因?yàn)閆n在焊料/Cu表面的優(yōu)先擴(kuò)散降低了液一固界面的界面張力。潤(rùn)濕力測(cè)試結(jié)果表明焊料在Cu基底上的潤(rùn)濕力隨Zn含量的提高而增大，但潤(rùn)濕時(shí)間明顯延長(zhǎng)。對(duì)接頭的組織分析表明，焊料/Cu界面層上的擴(kuò)散反應(yīng)區(qū)厚度隨焊料中Zn含量的提高而增大。正是因?yàn)閿U(kuò)散過(guò)程需要更長(zhǎng)的時(shí)間，因此Sn-Zn系焊料

6、在Cu基底上的潤(rùn)濕過(guò)程也需要更長(zhǎng)的時(shí)間。 添加微量的稀土元素Nd、La或少量添加元素In能夠明顯提高Sn-8Zn-3Bi焊料的鋪展性，其作用機(jī)理與Bi類似。Nd對(duì)提高焊料潤(rùn)濕性的作用效果比La、In更加顯著。鋪展性實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)焊料中Nd的含量為0.1﹪時(shí)，焊料的鋪展性接近Sn-40Pb焊料的水平；該焊料的潤(rùn)濕時(shí)間只有0.45S，低于Sn-40Pb焊料的潤(rùn)濕時(shí)間(0.61S)。 Nd的加入能夠降低Sn-Zn-Bi合金熔體表

7、面上Zn的含量，減少Zn與O結(jié)合的幾率。同時(shí)，合金熔體表面的。Nd與O會(huì)發(fā)生反應(yīng)，但形成的速度較慢，阻礙了O向焊料內(nèi)部的擴(kuò)散，因此明顯提高了Sn-Zn-Bi焊料的抗氧化性。在Sn-Zn-Bi合金中加入La也能夠減少ZnO的形成。然而，這種稀土元素自身極易與O結(jié)合而形成大量的氧化物，因此La對(duì)提高Sn-Zn-Bi合金的抗氧化性的效果并不顯著。In在焊料中不易富集于表面，但同樣能夠使Bi在焊料熔體表面富集，減少．ZnO的生成量，從而提高合金

8、的抗氧化性。 在Sn-9Zn共晶的基礎(chǔ)上加入Bi，合金組織中除了共晶組織外，還形成初生Zn相。這些初生Zn相呈針片狀，并且與基體的結(jié)合力較弱。隨著合金中Bi含量的提高，初生相不僅數(shù)量增多，而且尺寸增大，導(dǎo)致在拉伸應(yīng)力下容易形成沿晶斷裂，降低了合金的塑性。當(dāng)Bi含量達(dá)到4﹪時(shí)，合金的延伸率低于10﹪。固定Sn-Zn-Bi三元合金中的Bi含量，改變zn含量可以改變合金組織中的初生相。當(dāng)合金中Bi含量為6﹪，Zn含量為3﹪-6﹪時(shí)，形

9、成顆粒狀的初生p-Sn相，Zn含量為9﹪-12﹪時(shí)形成針狀的初生Zn相。而隨著初生Zn相的減少，合金的塑性提高。 對(duì)Sn-Zn-Bi三元合金，由于相變過(guò)程中(L→zn)反應(yīng)的溫度區(qū)間及(L→zn+β-Sn)反應(yīng)的溫度區(qū)間隨Bi含量的提高而增大，提高合金中Bi含量使合金的熔程擴(kuò)大。當(dāng)Bi含量為6﹪，Zn含量也為6﹪時(shí)，合金冷卻過(guò)程中幾乎不形成初生相，其熔程較小。 隨著微量稀土元素(Nd或La)的加入，Sn-8Zn-3Bi合

10、金組織中Zn相的分布更加均勻，強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高。增加稀土元素的含量至0.10﹪，除了生成極少量的細(xì)小島狀或蝴蝶狀顆粒相外，共晶組織形貌并無(wú)明顯改變。本文認(rèn)為這些極少量的顆粒相不會(huì)對(duì)性能起到明顯作用。少量In的加入易導(dǎo)致合金組織出現(xiàn)Zn相偏聚。隨In含量提高，Zn相偏聚現(xiàn)象更加明顯。因此，合金的塑性隨In含量的提高而下降。 Sn-8Zn-3Bi合金中加入1.0﹪的In能夠降低合金的熔點(diǎn)，而對(duì)熔程并無(wú)明顯增大。微量Nd或La的加入