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

表明,Sn - Zn - Al焊料表面氧化膜中富集的是Al,由于 Al 优先 Sn 和 Zn 氧化而在表面富集,生成了稳定而致密的Al 的氧化膜,好比形成了一层“外阻挡层”,这种阻挡层组织了钎料的进一步氧化。从而提高了合金的抗氧化性能。但是用X射线衍射分析方法观察,Al在界面处的聚集,形成Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物,成为Sn向Cu基板扩散的障碍层,没有形成Cu - Sn化合物。还有研究表明,Sn - 9Zn - Al 铺展试验后钎料和Cu 片很容易剥离、润湿性变差是由于在铺展实验过程中钎料表面生成了致密稳定的Al2O3,造成了钎料和Cu片的不润湿。
  3.4 Cu
  Sn - 9Zn合金中加入合金化元素Cu,自由Zn会向Cu - Zn化合物转变,从而有效减少Zn的氧化。大连理工大学的谢海平等在此基础上,研究与分析添加不同Cu合金对钎料组织和力学性能影响,并通过在Cu基板上钎焊研究其润湿反应和界面组织变化。实验表明,Cu的加入减少了Zn原子在液态钎料表面的氧化,有效的降低钎料的表面张力,使钎料与Cu之间的润湿性得到显着提高,获得了较小的润湿角。但随着Cu含量的增加,合金熔点逐渐升高。钎料的抗拉强度随着Cu含量的增加先增大后减小,SZ - xCu/Cu接头剪切强度则由于界面IMC的转变以及钎料合金自身强度的变化而导致钎焊接头剪切强度发生变化。在Cu含量不大于8%时,随着Cu的增加SZ-xCu钎料中针状富Zn相逐渐转变为Cu - Zn化合物;当Cu含量超过8%后,Cu6Sn5。相开始出现。界面处IMC在0~1%Cu时主要为层状Cu5Zn8相;在2~6%Cu时,为Cu6Sn5相和Cu5Zn8相共同组成;在8%Cu时,为扇状Cu6Sn5相组成。
  3.5 稀土元素
  稀土被称为金属的维他命,通常在合金中加入少量的稀土元素,可以提高钎料组织的均性、抗拉强度、抗蠕变性能和润湿性能。将RE加入Sn - 9Zn钎料中可提高钎料合金的抗拉强度。比如Sn - 9Zn - 0.5RE的抗拉强度比Sn - 9Zn提高18%,同时改变了钎料的润湿性能,相同实验条件下Sn - 9Zn - 0.05RE的润湿角总是最小,对比245 ℃下的Sn - Pb、Sn-9Zn、Sn-9Zn-0.05RE、Sn-9Zn-0.1RE润湿力后发现Sn-9Zn-0.05RE的润湿力最大,与Sn - Pb钎料最接近,所以有人认为Sn - Zn中RE的添加量控制在0.05%的RE为宜[注6]。对于RE在Sn - Zn钎料中所发挥的作用,也有其他不同说法,比如王国勇等人则认为在合金中加入微量以镧、铈为主地混合稀土降低了钎料合金润湿性能,任晓雪等人也认为加入La没有对合金的润湿性有明显改善,反而降低了合金的抗氧化性。而夏志东认为在Sn - Zn共晶钎料中加入微量稀土元素的好处在于增强Sn - Zn系钎料的抗腐蚀性。
  3.6 Ga
  Ga的熔点是29.8℃,它可以降低钎料的熔点,从Sn - Ga和Zn - Ga二元相图可知,Ga与Sn和Zn都能形成低熔点共晶。Sn - 9Zn钎料中加入0.5% (质量分数)的Ga后,降低了钎料的熔点,而且没有改变基体的共晶组织,钎料具有较好的强度和塑性[2]。通过研究不同Ga含量对Sn - 9Zn - xGa三元合金熔化性能和润湿性能的影响发现,合金的熔点随Ga含量的增加近似呈线性下降趋势,当Ga含量到6% (质量分数)时,合金的熔点已降低到与共晶Sn-Pb钎料相当的水平,钎料对Cu基板的接触角也随Ga含量增加而降低。还有研究表明,在230℃下,当Ga含量从0%(质量分数)增加到2%(质量分数)时,Sn - 8.55Zn - 0.5Ag - 0.1Al - xGa钎料的表面张力从0.74 N/mm2降低到0.43 N/mm2 ;钎料在Cu基板上的接触角从55°减小到44°(助焊剂为二甲胺盐酸盐DMAHCl) 。此外,Ga还具有改善Sn - Zn系无铅钎料的抗氧化性能的作用,L in K. L. 等人的研究表明,当Ga含量为1%(质量分数)时,Sn - 8.55Zn - 0.5Ag - 0.45Al - xGa五元合金的抗氧化性能最好。
  四、结束语
  随着电子封装技术的发展,研制新型、实用的无铅焊来替代Sn - Pb焊料已经成为了近年来研究的重点。Sn - Zn系无铅焊料由于熔点接近Sn - Pb、价格低廉、无毒性、力学性能优良等特点,已经成为无铅焊料领域研究的热点。近几年来,针对合金润湿性能差、焊料容易氧化等方面进行了大量的研究,并取得了一定的进展,使得Sn - Zn焊料展现出了良好的应用价值。此外,尽管有的Sn - Zn系无铅焊料已经开始在实际中应用,但其应用的范围

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