亞共晶Sn-Zn合金無鉛電子焊料研究.pdf

1、各主要發(fā)達(dá)國家的相關(guān)環(huán)境保護(hù)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(dāng)前被推出應(yīng)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(diǎn)和良好的力學(xué)性能等明顯優(yōu)點(diǎn)而受到許多研究組的關(guān)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(duì)銅等互連材料的潤濕性較差，成為它應(yīng)用和發(fā)展的主要障礙和各國研究攻關(guān)的焦點(diǎn)。 國內(nèi)外已有對(duì)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(jìn)行。我們基于Zn的有害作用及Sn-Zn相圖的特點(diǎn)，提出Sn-Zn 合金焊料最佳成份未必是共晶點(diǎn)而可能是在適當(dāng)降低Zn含量的亞共晶范圍。我們就此進(jìn)行了多方面實(shí)驗(yàn)研究，包括Zn含量對(duì)Sn-Zn/Cu體系潤濕性、界面結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合強(qiáng)度的影響、對(duì)Sn-Zn合金組織、拉伸性能與抗蠕變性能的影響和合金化對(duì)所選亞共晶Sn-Zn合金的改性作用。研究取得了以下主要結(jié)果和認(rèn)識(shí)進(jìn)展。 1、針對(duì)回流焊

3、工藝的潤濕鋪展率測量實(shí)驗(yàn)和針對(duì)波峰焊工藝的潤濕力測量實(shí)驗(yàn)中都顯示，Sn-Zn合金對(duì)Cu的潤濕性在Sn-6.5Zn附近呈現(xiàn)峰值。原因是Zn一方面對(duì)潤濕性有害，另一方面又能降低合金熔點(diǎn)而有利于潤濕性。Zn對(duì)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(huì)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(shí)驗(yàn)研究已發(fā)現(xiàn)，存在一個(gè)臨界Zn0摻雜濃度，低于該濃度時(shí)松香不發(fā)生稠化轉(zhuǎn)變。 2、在非平衡加熱條件下(≥5℃/min)，Sn-6.5Zn的熔點(diǎn)與熔化行為與Sn-9Zn共晶合金沒有可測區(qū)別。就實(shí)際使用而言，Sn-6.5Zn焊料不會(huì)比共晶合金熔點(diǎn)更高。 3、當(dāng)Zn含量在0.7％wt以上范圍內(nèi)，亞共晶Sn-Zn合金與Cu的焊點(diǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。與潤濕性相一致，焊點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)度都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的Sn-37Pb焊料，同時(shí)都略遜于當(dāng)前使用的無鉛焊料 Sn-3.5Ag-0.7Cu。Sn-Zn合金的抗蠕變性能對(duì)Zn含量不敏感，在2.5～9％wt范圍內(nèi)，所測得的各合金室溫穩(wěn)態(tài)蠕變速率與載荷的雙對(duì)數(shù)都呈良好的直線關(guān)系，蠕變應(yīng)力敏感因子n非常接近，都在 3.15～3.3之間，對(duì)應(yīng)于晶界(相界)擴(kuò)散機(jī)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(qiáng)度對(duì)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(xué)性能而言，相對(duì)于共晶點(diǎn)適當(dāng)降低Zn含量不會(huì)造成可觀的強(qiáng)度損失，而塑性則還有所提高。 6、與對(duì)Sn-9Zn 合金化改性研究結(jié)果類似，添加Cu (2％wt)、Bi(39％wt)或P(0.5％wt)都能進(jìn)一步改善Sn-6.5Zn對(duì)Cu的潤濕性，而對(duì)合金組織、力學(xué)性能和一些相關(guān)物理性能則沒有明顯不良影響，7、Sn-6.5Zn的耐助