Sn-Zn系无铅焊料抗氧化性和润湿性研究现状
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Sn-Zn系无铅焊料抗氧化性和润湿性研究现状

2009年09月03日09:40

  一、引言
  锡铅焊料是电子组装焊接中的主要焊接材料,以其优质的性能和低廉的成本,一直被人们所重视。但众所周知,Pb及它的化合物是有毒物质,人类长期接触会给生活环境和安全带来较大的危害 。2006年7月1日欧盟全面实施RoHs指令,即《禁止在电子电气产品中使用某些有毒有害物质的法规》。我国也在2007年3月1日实施《电子信息产品污染控制管理办法》,电子制造无铅化已成为不可逆转的潮流。实现电子制造的全面无铅化,以减少环境污染,提升绿色制造竞争能力,以适应国内外市场对绿色电子产品的需求,是电子制造业今后势在必行的举措。
  迫于环境和立法的压力,世界上许多国家都纷纷开始新型无铅焊料的研究和开发。无铅钎料研究的关键技术是新合金系的各项性能如熔点、熔化温度范围、润湿性、力学性能(强度、韧性、抗蠕变性)、物理化学性能(导电性、抗氧化性、抗腐蚀性能)等应与传统的Sn-Pb 钎料相近,而且成本不能过高。近10年来,国内外已经研究开发出多种无铅钎料合金,其成果主要集中在3个温度段上。主要包括:高温的Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Sb三个合金系,其熔点在200℃以上,明显的高于传统的Sn-Pb共晶焊料的熔点。中温的Sn-Zn系,熔点在180℃~200℃之内,其熔点十分接近传统的Sn-Pb焊料,这是该合金系成为替代传统焊料的最大优势。熔点在180℃以下的Sn-Bi、Sn-In系属于低温系焊料[注1]。目前的研究主要是通过向其中添加微量合金元素如:Bi、Cu、RE、Al、In、Cr、Ga、P、S等来改善无铅焊料的熔点和物理机械性能等,开发出价格低廉、无毒性、性能可与Sn-Pb相媲美的新型无铅焊料。
  二、Sn-Zn焊料性质
  由常用钎料元素毒性顺序(Bi
  三、合金元素对Sn-Zn焊料氧化性、润湿性的影响
  3.1Bi
  Sn - Zn系无铅钎料中Bi的加入可以大大降低钎料的熔点,也可降低钎料的液相线和固相线。随着Bi含量的增加,合金的固、液相间隔增大,当含Bi量从0%增加到8%,合金的熔化温度就会从198.4℃降低到186.1℃,熔化温度范围从2.36℃增加到6.72℃。Bi元素的加入不仅能够降低Sn-Zn系无铅钎料熔体的表面张力,而且能够降低钎料/铜接头的界面张力,进而起到改善钎料润湿性的作用[注3]。东南大学的周健等研究表明,当添加6%的Bi时,熔融焊料在大气环境下的表面张力降低到Sn - 40Pb焊料的水平。但是暴露在空气中一段时间之后,表面张力又急剧增大,原因是Sn - Zn - Bi焊料熔体表面易于形成氧化层而导致熔体的表面张力增加。加入6%的Bi时,焊料熔体与Cu之间的界面张力仍然较高[注2]。Nakatsuka与Taguchi等研究表明,当w (Zn) % ≥6 时,若w (Bi) % < 5,则同时降低合金的固液相熔点,若w (Bi) % > 5,则在降低合金的固相熔点的同时也增加了液相熔点[注4]。
  3.2 In
  In元素具有与Bi相似的表面活性作用,可降低钎料的表面张力,改善润湿性。Sn - Zn无铅钎料中加入In可以降低钎料的熔点,Sn - 9Zn - 5In和Sn - 9Zn - 10In钎料的熔点分别为188℃和178℃,接近共晶Sn-Pb钎料,同时液态钎料的表面张力降低,润湿性提高[注5]。在Sn-Zn-In系无铅钎料中,In的表面活性使其聚集在液态钎料表面呈现正吸附,使钎料表面张力降低,随含In量的增加,钎料在Cu基板上的润湿性提高,铺展面积增大;但是钎料合金剪切强度却下降[注6]。研究结果还显示,在Sn - 8Zn - 3Bi基础上加入的In含量为0.5%(质量分数)时,钎料表面张力降低最为明显,已接近Sn60 - Pb40钎料的水平,钎料在铜基板上的润湿力明显上升。东南大学的周建等研究表明,In含量为1.0%,其铺展面积仍明显高Sn - 8Zn - 3Bi 母合金,但相对于Sn - 8Zn - 3Bi - 0.5In有所下降。当In 含量达到1.5%,钎料铺展性下降到最低值,其在铜上铺展面积低于母合金。当In 含量继续增加但低于4.0%时,钎料的铺展性变化并不明显。当In 含量达到4.0%,钎料在铜片上的铺展面积随In含量的提高才略有增大。但是In在地球中的储量少,开采提炼成本高,价格昂贵,使该钎料的应用前景受到影响。
  3.3 Al
  日本有人采用润湿平衡法测试Sn - Zn - Al焊料的润湿时间表明,焊料的润湿时间小于1.5s,润湿性能与Sn-Pb焊料相当。研究还发现,Sn - Zn - Al焊料与铜的润湿反应层中不存在Cu - Sn金属间化合物,而是形成了Cu - Al化合物及Cu - Zn化合物[注1];上海交通大学的任小雪等[注7]研究

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