低熔点snzn系无铅焊料研究

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1、低熔点Sn-Zn系无铅焊料研究摘要Pb是一种有毒物质。电子产品中由于使用了大量含Pb的焊料进行封装，因此对人类健康造成了严重的威胁。随着RoHS指令(关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令)和WEEE指令(关于废旧电子电气设备指令)在欧盟议会获得批准，电子产品在2006年7月1日后将禁止含Pb。因此，世界各国目前正在积极开展无铅焊料领域的研究，其中Sn-Zn系焊料由于熔点最为接近传统焊料，有望成为新一代的无铅焊料。然而，Sn-Zn二元合金在铜表面的润湿性差，且抗氧化性不良，不能直接用于电子产品。近几年来，采用合金化方法改善Sn-zn系焊料润湿性的研究取得了一定的进展，并且

2、已有少量的SnoZn系合金投入实际应用。但是，由于SnoZn系合金的润湿性、抗氧化性问题并没有得到根本解决，在实际生产中往往要求增加焊剂活性或气氛保护以帮助焊料获得良好的润湿，因此这种焊料难以被推广应用。本论文以具有应用潜力的Sn-Zn—Bi合金为研究对象，以提高焊料的润湿性为主要研究目标，综合考虑合金的熔点、熔程及力学性能，对Sn-Zn—Bi焊料进行了成分的优化；在此基础上，通过加入少量或微量的其它合金元素(Nd、La、In)，进一步提高了Sn．Zn-Bi焊料的润湿性和抗氧化性等性能，形成了具有优良综合性能的成分配方。此外，本文还采用时效的方法研究了几种优选合金与Cu基底焊后

3、接头的界面扩散及界面生长行为，以及扩散反应层的生长对接头剪切强度的影响。合金元素Bi的加入不仅能够降低Sn．Zn系焊料熔体的表面张力，而且能够降低焊料／Cu接头的界面张力，因而提高了Sn．9Zn．xBi焊料的铺展性。当合金中Bi含量达到6％时，最大气泡压力法测得的焊料熔体在240℃下的表面张力接近Sn-40Pb合金的表面张力。理论计算进一步证明Bi能够有效降低Sn．Zn系焊料的表面张力，其作用机理是Bi原子在焊料熔体表面的富集作用。润湿平衡实验表明，Sn-Zn系焊料中添加Bi后，焊料在Cu基底上的润湿力明显提高，而润湿时间明最缩短。运用相关的力学理论推导，可以证明焊料润湿力的提

4、高与焊料／Cu界面的界面张力降低直接相关。虽然Zn含量的增加会导致Sn-Zn-Bi三元合金熔体表面张力提高，但合金在Cu基底上的铺展面积却随Zn含量的增加而增大，这是因为Zn在焊料／cu表面的优先扩散降低了液一固界面的界面张力。润湿力测试结果表明焊料在Cu基底上的润湿力随Zn含量的提高而增大，但润湿时间明显延长。对接头的组织分析表明，焊料／Cu界面层上的扩散反应区厚度随焊料中Zn含量的提高而增大。正是因为扩散过程需要更长的时间。因此Sn-Zn系焊料在Cu基底上的润湿过程也需要更长的时间。添加微量的稀土元素Nd，La或少量添加元素In能够明显提高Sn-8Zn-3Bi焊料的铺展性，

5、其作用机理与Bi类似。Nd对提高焊料润湿性的作用效果比La、In更加显著。铺展性实验表明：当焊料中Nd的含量为0．1％时，焊料的铺展性接近Sn-40Pb焊料的水平；该焊料的润湿时间只有0．45S，低于Sn．-40Pb焊料的润湿时问(0．6ls)。Nd的加入能够降低Sn-Zn．Bi合金熔体表面上Zn的含量，减少Zn与O结合的几率。同时，合金熔体表面的Nd与O会发生反应，但形成的速度较慢。阻碍了O向焊料内部的扩散，因此明显提高了Sn-Zn-Bi焊料的抗氧化性。在sn．zn—B．合金中加入La也能够减少ZnO的形成。然而，这种稀土元素自身极易与。结合而形成大量的氧化物。因此La对提高

6、Sn-Zn-Bi合金的抗氧化性的效果并不显著。In在焊料中不易富集于表面，但同样能够使Bi在焊料熔体表面富集，减少ZnO的生成量，从而提高合金的抗氧化性。在Sn-gZn共晶的基础上加入Bi，合金组织中除了共晶组织外，还形成初生Zn相。这些初生Zn相呈针片状，并且与基体的结合力较弱。随着合金中Bi含量的提高，初生相不仅数量增多，而且尺寸增大，导致在拉伸应力下容易形成沿晶断裂，降低了合金的塑性。当Bi含量达到4％时，合金的延伸率低于10％。固定sn．zn．Bi三元台金中的Bi含量，改变zn含量可以改变合金组织中的初生相。当合合中Bi含量为6％，Zn含量为3％．6％时，形成颗粒状的初

7、生口．sn相，zn含量为9％．12％时形成针状的初生zn相。而随着初生zn相的减少，合金的塑性提高。对Sn-Zn-Bi三元合金，由于相变过程中(L---．·Zn)反应的温度区间及(L—zn+B-sn)反应的温度区间随Bi含量的提高向增大，提高合金中Bi含量使合金的熔程扩大。当Bi含量为6％，Zn含量也为6％时，合金冷却过程中几乎不形成初生相，其熔程较小。随着微帚稀七元素(Nd或La)的加入，Sn．8Zn．3Bi合金组织中zn相的分却更加均匀，强度和塑性同时提高。增加稀土元素的含帚至0．10％