新型Sn-9Zn基低熔點無鉛焊料的研究.pdf

1、Sn-Zn共晶焊料因其熔點較低、接近Sn-Pb焊料,且力學性能優(yōu)良、價格低廉、綠色環(huán)保,有望成為新一代無鉛焊料。但是,Sn-Zn合金的抗氧化性、潤濕性較差,阻礙了它的廣泛應(yīng)用。因此,Sn-Zn共晶焊料引起國內(nèi)外眾多研究者的關(guān)注,成為目前無鉛焊料的重要研究課題之一。本論文以應(yīng)用潛力巨大的Sn-9Zn合金為對象,以提高焊料抗氧化性為主要目標,并綜合考慮合金的潤濕性、熔點及力學性能,選擇Cr、Al、Ti、La等代表性合金元素,對Sn-9Zn-

2、M三元合金焊料的各種性能進行了系統(tǒng)研究。在此基礎(chǔ)上,遴選出能夠顯著改善焊料抗氧化性和力學性能的Sn-9Zn-Cr合金,就其制備方法、不同Cr含量對各項性能的影響、焊點界面反應(yīng)行為及其作用機理作了詳細的研究。研究表明:在Sn-9Zn中添加微量Cr、Al、Ti、La元素,除La以外,其它三種元素對焊料的抗氧化性均有明顯的改善,但作用機理各不相同。Al或Ti的加入,改變了氧化順序,優(yōu)先于Zn發(fā)生氧化,在焊料表面形成穩(wěn)定致密的氧化膜,進而阻止焊

3、料的進一步氧化,提高了Sn-9Zn焊料的抗氧化性。Sn-9Zn-Cr合金表面氧化膜仍以ZnO為主,但在Zn氧化膜與焊料交界的次表面形成Cr的偏聚層,好似一層“內(nèi)阻擋層”,抑制了Zn氧化,從而大大降低了焊料的氧化速度。進一步研究發(fā)現(xiàn):Cr、Al、Ti、La等四種合金元素的加入,總體上沒有改變Sn-9Zn焊料的微觀組織和固液相線。Al和Ti不同程度地降低了焊料的潤濕性,在實際當中難以被采用,而Cr、La元素使Sn-9Zn焊料的潤濕性略有提高

4、。綜合以上結(jié)果,Cr在不破壞潤濕性、保持低熔點的同時,可大大提高Sn-9Zn合金的抗氧化性,Sn-9Zn-Cr合金焊料是一種具有應(yīng)用前景、值得深入研究的新型焊料。考慮到今后的應(yīng)用,為了解決低熔點Sn、Zn與高熔點Cr的合金化問題,研究中對采用不同中間合金的焊料制備技術(shù)進行了探討。結(jié)果表明,采用中頻感應(yīng)爐、通過SnCr中間合金制備Sn-9Zn-Cr合金是最佳選擇,并發(fā)現(xiàn)加入Cr對Sn-9Zn合金微觀組織有明顯的細化作用,加入0.1wt％左

5、右的Cr效果最佳。研究還發(fā)現(xiàn),Cr含量對Sn-9Zn-Cr焊料各項性能有重要的影響,存在一個最佳含量范圍。當Cr含量達到0.1wt.%時,焊料具有最好的抗氧化能力和潤濕性能,同時發(fā)現(xiàn)Sn-9Zn-0.1Cr合金比Sn-9Zn合金的延伸率提高約66%。焊點可靠性是評價焊料好壞的重要性能,因此本研究還考察了Sn-9Zn(-xCr)/Cu焊點界面反應(yīng)情況。通過對界面金屬間化合物層的形貌、厚度及生長動力學進行研究,結(jié)果顯示:(1)在Sn-9Zn

6、(-xCr)/Cu焊點中,界面處金屬間化合物的成分為Cu5Zn8;隨時效時間的延長,金屬間化合物層的厚度增加;(2)Sn-9Zn(-xCr)/Cu焊點界面反應(yīng)受擴散控制。Sn-9Zn焊料中的Cr含量達到0.1wt.%時,其界面反應(yīng)的擴散系數(shù)達到最低,表觀激活能達到最高,對界面反應(yīng)的抑制效果最佳。界面處金屬間化合物層生長的減緩,筆者認為主要是因為Cr可與Zn反應(yīng)形成~Zn17Cr和/或~Zn13Cr等金屬間化合物,降低了焊料中Zn原子的活