微电子组装中Sn-Zn系无铅钎料的研究与开发

无铅钎料的研究开发是我国电子材料行业目前面临的紧迫课题。其中Sn-Zn系无铅钎料具有低的熔点,优良的力学性能,能获得可靠的钎焊接头,且其原材料丰富、价格便宜,有望替代Sn-Pb钎料。但该系钎料易氧化,抗腐蚀性较差,目前还未得到广泛的采用。介绍了开发新型无铅钎料应满足的要求,及几种有潜力的Sn-Zn系无铅钎料。

无铅Sn-Ag-Sb与Sn-Zn-In润湿性研究

通过实验测定Sn-Ag-Sb及Sn-Zn-In系列合金的润湿角,进行了润湿性研究,发现Sn-Ag-Sb及Sn-Zn-ln系焊料存在润湿性差的缺点,通过添加低表面张力的金属或稀土元素可在一定程度上降低润湿角,能提高润湿性。

Sn-Zn-Cu无铅钎料的组织、润湿性和力学性能

研究了(Sn 9Zn) xCu无铅钎料的微观组织、润湿性能和力学性能。Cu的加入使得Sn 9Zn钎料中针状富Zn相逐渐转变为Cu Zn化合物,当Cu含量为8%时,Cu6Sn5相生成。Sn Zn Cu合金熔点随着Cu含量增加而升高,同时润湿性随Cu的加入得到显著改善。使用中性活性松香钎剂,钎料与Cu箔钎焊时的润湿角显著减小。Sn 9Zn的润湿角为120°,而(Sn 9Zn) 10Cu的润湿角为54°。这是由于Cu的加入降低了Zn的活性,减少了Zn在钎料表面氧化,降低了液态钎料表面张力,使得钎料能获得较好的润湿性。合金在2%Cu时获得较高的强度,随着Cu含量的增加,Cu Zn化合物相对增多,抗拉强度有所下降;而合金的塑性随着Cu的加入迅速下降。

Ga、Al对Sn-Zn钎料耐蚀及高温抗氧化性能的影响

采用侵蚀失重法研究Ga、Al对Sn-9Zn钎料在3.5%NaCl水溶液中耐腐蚀性的影响。结果表明,添加Ga元素后,腐蚀产物的粘附性提高,均匀覆盖在钎料表面上,提高了钎料的耐蚀性能;添加Al以后,Zn和Al被选择性腐蚀,腐蚀随着Al含量的增加而加剧。采用热重分析(TGA)和俄歇电子能谱(AES)研究Ga、Al对Sn-9Zn钎料高温抗氧化性的影响。结果表明,Ga可在钎料表面形成一层集肤层;Al可在钎料表面形成一层致密的氧化膜,两者均可阻挡空气中的氧向钎料内部扩散,从而大大改善钎料的高温抗氧化性。

亚共晶Sn-Zn系合金无铅焊料的性能

通过差热分析（DTA），研究Sn—xZn合金（x=2．5～9）的非平衡熔化性能，发现在加热速度为5℃／min时，Sn-6．5Zn与Sn-9Zn的熔化特性相同；通过浸润法和铺展法表征Sn-xZn合金在Cu基材表面上的润湿性。结果表明：Sn-6．5Zn在Cu基材表面上的润湿性优于Sn-9Zn。研究速率为10^-3s-1和10^-1s-1时Sn-xZn的拉伸性能，结果发现：Sn-6．5Zn的抗拉强度与Sn-9Zn的相当，而延伸率高于Sn-9Zn。以搭接焊及界面剪切实验研究Sn-xZn／Cu焊点界面强度，发现焊点界面剪切强度随x的增加而提高，在x≥6．5时趋于稳定；z=6．5时剪切力最大，表明Sn-6．5Zn在Sn-Zn系中具有最好的钎焊工艺性能。

Sn-Zn-Bi无铅焊料表面张力及润湿性研究

采用气泡最大压力法对Sn-9Zn-XBi焊料进行了表面张力测试,用平衡法测试焊料的润湿性。结果表明:Bi的添加大大降低了Sn-Zn系焊料熔体的表面张力;然而焊料暴露在空气环境下1min后,表面形成ZnO导致其表面张力增大;Bi的增加提高了焊料在铜片上的润湿力,缩短了润湿时间;Sn-9Zn-XBi焊料润湿力仍低于Sn-40Pb,其原因是焊料–铜界面能偏高。

Sn-9Zn-xAl无铅钎料润湿性能

采用润湿平衡法测试了不同温度下Sn-9Zn-xAl无铅钎料在空气和氮气两种气氛下的润湿性能，研究探索了合金元素Al的添加量、气氛和温度对Sn-9Zn-xAl无铅钎料润湿性能的影响规律。结果表明，添加Al元素以后，Sn-9Zn-xAl无铅钎料的润湿性得到明显改善，在使用ZnCl2-NH4Cl助焊剂时，Al的最佳添加量为0．02％（质量分数），在使用免清洗助焊剂时，Al的最佳添加量为0．005％（质量分数）；采用氮气保护时，Cu基板表面张力提高，钎料的氧化减少、表面张力降低，明显改善了钎料在Cu基板上的润湿性能；在215—245℃时，温度升高使钎料的表面张力减小，提高了钎料的润湿性能。

Sn-Zn系钎料专用助焊剂

采用铺展试验法研究了Sn-9Zn钎料配合自制Sn-Zn系钎料专用助焊剂、NH4Cl-ZnCl2助焊剂、树脂型助焊剂以及水溶性助焊剂在铜板上的铺展能力.结果表明,使用自制助焊剂A4匹配Sn-9Zn钎料铺展性能相比其它助焊剂铺展面积明显增大.自制助焊剂不含卤素,钎料的铺展面积最大为65.7 mm2,相比NH4Cl-ZnCl2助焊剂、树脂型助焊剂、水溶性助焊剂分别提高了16.1%,116.1%,85.1%.此外,复配助焊剂能进一步促进钎料在铜板上的铺展,最大铺展面积分别达到76.5,72.5 mm2,控制磺酸亚锡的含量为20%(质量分数),二乙醇胺,丁二酸的最佳添加量依次为8%,10%(质量分数).

高温、高湿环境中时效时Sn-Zn基无铅焊点的显微组织演化

研究Sn-Zn基焊料经高温和高湿环境时效后的显微组织演化。在涂覆Au/Ni合金的PCB镀铜焊盘上焊接3种Sn-Zn基焊料的试样(Sn-9Zn合金、Sn-8Zn-3Bi合金以及Sn-7Zn-Al(30×10-6)合金),然后在120℃,100%相对湿度、2.03×105Pa下分别时效96 h和192 h。结果表明,Zn原子向表面和界面扩散,形成富Zn相并长大。粗大的Zn相易于导致O元素的富集,使与β-Sn界面弱化,从而降低在位移控制加载模式下的低周疲劳寿命。

Sn-Zn-Cu/Cu界面反应及剪切强度

为探讨Cu的加入对Sn-Zn钎料性能的影响,研究了Sn-Zn-xCu与Cu箔钎焊界面处金属间化合物(IMC)成分、形貌及剪切强度. 试验结果表明,含0～1%Cu时,Sn-Zn-xCu钎料与Cu母材钎焊界面处IMC主要为层状Cu5Zn8相;在含2%～6%Cu时,为Cu6Sn5相和Cu5Zn8相共同组成;在含8%Cu时,为Cu6Sn5相. 这是由于合金基体中生成的Cu-Zn化合物阻碍了Zn向Cu界面处扩散,进而使得界面处IMC由层状Cu5Zn8逐渐向扇贝状Cu6Sn5转变. 另外,随着Sn-Zn钎料中Cu含量的增加,Sn-Zn-xCu/Cu接头剪切强度因界面IMC类型的变化以及钎料合金自身强度的提高而使得钎焊接头剪切强度明显提高.

Sn-Zn-Bi无铅钎料成分设计

利用二次回归正交组合设计建立了Sn Zn Bi无铅钎料成分与润湿性能、力学性能及抗腐蚀性能的回归方程,分析了成分质量分数对钎料润湿性能、接头剪切强度及钎缝抗腐蚀能力的影响规律。结果表明:增加Zn的质量分数有助于提高接头剪切强度,但同时也使钎料润湿性和钎缝抗腐蚀性能下降;添加适量质量分数的Bi能明显改善钎料的润湿性、接头剪切强度和钎缝抗腐蚀性;Zn、Bi交互作用对钎料和接头性能有一定的影响。在综合考虑成分变化对钎料熔点、熔化温度区间等影响后,优化设计出用于电子工业的w(Zn)=8%～9%、w(Bi)=3%～4%的Sn Zn Bi无铅钎料。

AI对Sn-Zn钎料耐腐蚀及高温抗氧化性的影响

采用浸蚀失重法、动电位极化法和热重分析法(TGA)分别研究了Al对Sn-9Zn-Al在3.5%NaCl水溶液中耐腐蚀性能和高温抗氧化性能的影响。结果表明,随着Al含量的增加,Sn-9Zn-Al的腐蚀速率增大,腐蚀电位降低,耐腐蚀性能下降。试样腐蚀后的表面形貌SEM和EDS分析表明,Sn-9Zn-Al钎料中Zn和Al被选择性腐蚀,腐蚀产物主要为Zn和Al的氢氧化物,随着Al元素含量的增加,腐蚀产物增多,但不致密,不能形成钝化膜。热重分析试验表明,添加微量的Al可在熔融钎料表面形成一层致密的保护膜,从而大大改善钎料的高温抗氧化性能。

Ag含量对Sn-Zn-Ag无铅钎料腐蚀性能的影响

在Sn-Zn共晶钎料中加入不同含量的Ag元素制成Sn-9Zn-xAg无铅钎料,利用失重法、扫描电镜的腐蚀形貌观察以及EDS成分分析,分析了Sn-9Zn-xAg无铅钎料在3%NaC l溶液浸泡腐蚀情况下的腐蚀行为,并与Sn-Pb以及Sn-Zn钎料进行比较。结果表明:随着Ag含量的增加,钎料合金的抗腐蚀性能有所提高。

Sn-Zn无铅焊料的研究与发展

踏入21世纪,环境保护已成为国家可持续发展策略的一部分;由于铅污染环境并严重影响人类和牲畜的生存质量,因此对使用有铅焊料的电子产业,迫切需要研究开发出新型的无铅焊料;而Sn-Zn无铅焊料是一种有希望取代传统铅锡焊料的合金。综述了SnZn合金的研究成果,主要分析了该合金系中各元素的作用和焊接后的界面情况,并提出了改进Sn-Zn合金的方向。

合金元素对Sn—Zn系无铅钎料性能的影响

为了改善Sn-Zn系无铅钎料的综合性能,通过合金化的方法,运用正交试验法,研究了Bi、Ag、A1元素对Sn-9Zn系无铅钎料的润湿性能、抗剪强度以及熔点的影响。结果表明,钎料的润湿性随着Bi元素含量的增加而得到改善,钎料的剪切强度随着Ag元素含量的增多,先提高后降低,综合分析Sn-9Zn-4Bi-0.5Ag-0.05Al钎料的性能最佳,且差热分析表明,该钎料熔点最低,为196.97℃。同时,利用扫描电镜及能谱分析了合金元素对钎料接头显微组织的影响。

合金化对Sn-Zn系无铅焊料抗腐蚀性能的影响

随着人们环保意识的提高,无铅焊料替代传统的锡铅焊料成为电子行业的必然趋势。Sn-Zn系无铅焊料因为熔点接近传统锡铅焊料,且具有优良的力学性能而被广泛关注,有望替代传统焊料。目前Sn-Zn系无铅焊料在润湿性、抗氧化性、抗腐蚀性等方面存在一定的问题。其中,焊料的抗腐蚀性对电子产品的寿命和安全起着决定性作用,因此,具有良好的抗腐蚀性能是开发无铅焊料的关键之一。就当下研究比较成熟的Sn-Zn系焊料的抗腐蚀性能进行研究。指出了元素合金化对Sn-Zn焊料的影响,并对抗腐蚀机理进行阐述。

锡基无铅电子焊料的研究进展与发展趋势

锡基焊料是电子工业上广为使用的连接材料,随着环保意识的增强,人们加强了对无铅焊料的研究。文章概述了锡基无铅电子焊料的发展概况,主要介绍了Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Cu和Sn-Bi四种合金系焊料的最新研究进展,指出了锡基无铅焊料的应用和发展趋势。

铜基多元合金的处理(Ⅱ)——连续电解实验研究

针对Cu-Zn-Sn-P四元合金网废料,采用连续电解的方式研究了采用电化学溶解———电解沉积的工艺;研究表明可以有效提取出铜组分。

低温无铅焊料

随着无铅焊料的发展,低温组装技术越来越多的需求对低温无铅焊料提出了诸多挑战。对国内外低温无铅焊料的发展情况进行了综述,详细介绍了四种不同的低温无铅焊料的研究现状,以及不同的领域应用的优缺点和解决方案,分析了未来实现低温安装的途径与开发方向。