微合金化对sn_9zn无铅钎料钎焊性能影响及润湿机理研究_王慧

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1、中图分类号TG454；TG665论文编号10-0001学科分类号博士学位论文微合金化对Sn-9Zn无铅钎料钎焊性能影响及润湿机理研究研究生姓名王慧学科、专业材料加工工程研究方向微电子焊接技术指导教师薛松柏教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一О年四月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialsScienceandTechnologyStudyonsolderabilityandwettingmechanism

2、sofmicro-alloyedSn-9Znlead-freesolderAThesisinMaterialsProcessingEngineeringbyWangHuiAdvisedbyProfessorXueSongbaiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringApril,2010承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人

3、已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：年月i摘要鉴于Pb的毒性及各国禁Pb法令的出台，研发可替代传统Sn-Pb合金的无铅钎料在世界范围得到了广泛关注。Sn-Zn系无铅钎料凭借其合适的熔点、低廉的成本以及良好的力学性能，有望发展成为新一代的无铅钎料。然而，二元Sn-Zn合金在润湿性、高温抗氧化性

4、以及耐腐蚀性等方面的不足严重制约了该钎料体系的应用、推广。本文针对Sn-Zn系无铅钎料存在的上述不足之处，以共晶Sn-9Zn合金为研究对象，以改善钎料润湿性能为主要目标，综合考虑钎料的熔化特性、耐腐蚀性、焊点力学性能及焊点在高温存储过程中的可靠性等因素，提出了采用Ag、Al、Ga、Ce多元合金化的方法对钎料成分进行优化，并在此基础之上研究了各元素在Sn-9Zn钎料中的存在形式及作用机理。Al和Ce在冶炼过程中极易氧化，这与含Zn合金不能采用真空炉冶炼之间是一个矛盾。本研究采用预制低熔点合金，然后在较低温度下采用熔盐和气氛保护冶炼多元合金

5、的方法解决了上述矛盾，实现了微量、可控的Al、Ce添加技术，成功制备了多组元合金。Sn-Zn钎料的润湿性能与钎料在液态时的表面张力及抗氧化性有着密切联系，本研究的思路正是从降低液态钎料的表面张力和提高其抗氧化性能切入，选择了具有表面活性作用的Ce和Ga元素以及具有改善液态钎料抗氧化性的Al元素作为改性元素。此外，添加Ag的作用在于Ag能改善钎料基体组织及界面反应，提高焊点力学性能。润湿平衡试验表明，在Sn-9Zn合金中，Ag、Al、Ga、和Ce的最佳单元添加量分别为0.30wt.%、0.005wt.%、1.00wt.%和0.07wt.%

6、；而多元添加时，经正交试验表明，Sn-9Zn-0.25Ag-0.002Al-0.2Ga-0.15Ce润湿性能最好。热重分析试验表明，微量的Al能显著改善Sn-9Zn钎料的高温抗氧化性能；俄歇电子能谱分析显示，Al在Sn-9Zn-0.005Al钎料表面1-30nm的范围内富集，浓度是基体内的2000倍。富集的Al在液态钎料表面形成致密氧化膜，可减少内部钎料的进一步氧化并提高钎料的润湿性。虽然Al的添加会导致钎料的耐腐蚀性能下降，但是，在满足改善钎料抗氧化性和润湿性前提下的微量添加对钎料耐蚀性的负面作用可以忽略。钎料中添加少量的Ag会在基体

7、中形成AgZn3化合物颗粒，AgZn3作为第二相质点对钎料起到弥散强化的作用。在钎焊过程中，Ag会在钎料与基板的界面处富集并形成细小、锯齿状AgZn3并依附于平坦的Cu5Zn8化合物层上。Ga也可在液态钎料表面富集，起到改善液态钎料抗氧化性以及降低其表面张力的作用。添加Ga后，钎料在NaCl水溶液中浸泡腐蚀后会形成片状、连续的腐蚀产物，提高了钎料在NaCl水溶液中的钝化能力。少量Ga可使钎料组织更均匀，减少基体中的富Zn相，提高钎焊接头的力学性能和接头在高温存储过程中的可靠性。ii研究表明，Ce在液态Sn-Zn钎料表面具有很强的富集作用

8、，可降低液态钎料表面张力，显著改善钎料的润湿性能。润湿平衡试验表明，Ce在Sn-9Zn钎料中添加量为0.07wt.%时，钎料润湿性能最好，然而，继续提高Ce含量，润湿性反而下降。这是因为，Ce化学性质活泼，