Sn_8Zn无铅钎料性能的研究_商延赓

　S MT/PCB　

Sn-8Zn无铅钎料性能的研究

商延赓,郎波,孙大千,吴文云,黄泽武

(吉林大学,吉林　长春　130025)

摘要:研究了不同微量合金元素(B i、A g)对Sn-8Zn无铅钎料高温抗氧化性能及接头剪切强度的影响,采用氧化质量增加Δm值的方法,在高温下观察钎料表面氧化膜形状和颜色的变化并对氧化膜进行X射线衍射分析,探讨了钎料的高温抗氧化性能的机理,通过对钎料的金相显微组织观察和对热处理后钎焊接头的剪切强度试验,分析了提高接头剪切强度的原因。试验结果表明:在Sn-8Zn钎料中加入适量的合金元素(B i、Ag)均可以改善和提高钎料的高温抗氧化性能和接头的剪切强度。

关键词:无铅钎料;抗氧化性;剪切强度;热处理

中图分类号:TG42 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2006)04-0197-04 Study of Sn-8Zn Lead-free Sol derW el d ability

S HANG Yan-geng,LANG Bo,S UN Da-qian,W U W en-yun,HUANG Ze-w u

(Ji L i n Universit y,Changchun　130022,China)

Abst ract:The effects o f a ll o y e le m ents B i and Ag on the resistance to oxidability and join t shear streng th of Sn-8Zn lead-free solde r at high-te m pe r a t u re w as st u died.A t high-t e m pe rat u r e the change of oxidati o n fil m shape and co lor w as obser ved on t h e surface of liqu i d so l d er by ox idation w eigh t

i n crease△M value m e t h od.W e analyzed ox i d ation fil m by X-ray diffr action analysis and st u d ied h i g h-

te mperature r esistance to ox idability of so lder.The r easons o f advanci n g obse r vations o f so l d e r struc t u re and j o int shear strength we r e analyzed by experi m en ts o f so lder j o int shear str eng t h after hea t trea t m en.t The expe ri m ental r e sults indicated tha t the appr opriate addition of alloy ele m en ts B i and Ag cou l d en-hance resistance to ox i d abilit y at high-te m pe rat u r e and jo i n t shear streng t h.

K ey w ords:Lead-fr ee so l d e r;Resistance to oxidabilit y;Shear str eng t h;H ea t tr eat m ent

Docu m ent Code:A A rticle ID:1001-3474(2006)04-0197-04

铅及其化合物是有毒物质,对环境污染和人体的健康危害极大,随着人类对环保意识的增强,各国相继通过立法禁止使用含铅的产品,电子封装所采用的铅基钎料将受到严格的限制,无铅钎料势必取代有铅钎料[1～3]。目前国内外有关无铅钎料研究的合金系主要有:Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-B i等。Sn-Zn系钎料的基体元素锡和锌的储量丰富,无毒副作用,其共晶温度为198℃接近Sn-Pb钎料的共晶温度,并且具有较好的抗拉强度,蠕变抗力和热疲劳性能,被认为最有希望取代铅基钎料的无铅钎料之一[4～7]。但Sn-Zn钎料还存在一定的问题,如:润湿性差、易氧化等问

基金项目:吉林省科技发展计划项目(项目编号:20000518)。

作者简介:商延赓(1964-)男,博士,主要从事先进材料连接的研究工作。

孙大千(1954-),男,教授,博士生导师,主要从事先进材料连接的研究工作。197

第27卷第4期2006年7月

电子工艺技术

Electronics P rocess Te chno l ogy

DOI牶牨牥牣牨牬牨牱牰牤j牣issn牣牨牥牥牨牠牫牬牱牬牣牪牥牥牰牣牥牬牣牥牥牫

题[8～9]

。M c C or m ack 等人报导过在Sn -Zn 钎料中

添加元素Ag 来改善钎料的润湿性和延展性[10]

,周健等人提出了通过添加微量稀土元素镧和铈的方法改善Sn -Zn 系钎料的润湿性能[11]

,任晓雪等人研究了在Sn -Zn 钎料中添加元素A r 、C r 、Y 和Ti 来提高钎料的高温抗氧化性能

[12]

。Sn -Zn 系钎料的开

发前景已被证实,但如何通过添加二种或多种微量元素的办法来改善钎料的综合性能仍需要进一步的研究,特别是Sn -Zn 系钎料抗氧化性能的研究还处于探索阶段。

本文主要研究通过添加微量合金元素(B i 、Ag )改善Sn -8Zn 钎料高温抗氧化性能和接头的剪切强度,同时对钎料高温抗氧化性能的机理和金相显微组织进行了进一步的分析和探讨。

1　试验材料方法及设备

试验选用金属的质量分数为:Sn ≥99.9%;Zn ≥99.9%;B i ≥99.9%;Ag ≥99.9%;紫铜板(100mm ×20mm ×2mm )。

试验采用热铸法熔炼Sn -8Zn -x Bi (x =1.00、1.25、1.50、1.75、2.00)和Sn -8Zn -x Ag (x =0.50、1.00、1.25、1.50、1.75)钎料,将原材料按比例配制后在瓷坩埚中熔炼,表面加覆盖剂防止氧化,加热温度为300℃,加热至完全熔化保温20m i n 后在瓷坩埚中自然冷却。

高温抗氧化性试验,每次称取熔炼后的钎料100g ,在250℃恒温下氧化8h ,每隔1h 搅拌1次,观察液态钎料表面所形成的氧化膜形态和颜色的变化,采用电子分析天平(LI BRORAE U -210)称取氧化物的质量增加(Δm ),以氧化质量增加(Δm )值来评定钎料的抗氧化性能,试验结果均为三次试验的平均值,并对氧化膜的物相进行XRD (D M /AX 2500pc )分析。

剪切强度试验采用搭接接头的形式,搭接面积为20mm ×15mm ,每种钎料做3组试样,焊前对紫铜板的表面进行处理,钎焊温度为250℃,焊剂为2%NH 4C l +22%ZnC l 2溶液,焊后在150℃恒温下保温3h ,然后随炉温冷却到室温,采用CSS -1110电子万能试验机进行抗剪切强度试验,并对钎料的金相组织进行观察。

2　试验结果与分析2.1　B i 、Ag 对Sn -8Zn 钎料高温抗氧化性能影响

B i 、Ag 对Sn -8Zn 钎料氧化质量增加(Δm )影

响的试验结果。如图1所示。

图1　氧化质量增加Δm 与B i 、A g 质量分数的关系

从图1可知:B i 元素对Sn -8Zn 钎料的抗氧化性能具有一定的影响,随着B i 含量增加,Δm 值增加,当B i 的质量分数增至到1.25%时Δm 值降至最低点,抗氧化性能增强,进一步增加B i 含量,则钎料抗氧化性能有降低的趋势。Ag 元素对Sn -8Zn 钎料的抗氧化性能也具有一定的影响,随着Ag 含量的增加,△m 值增大,抗氧化性下降,当Ag 的质量分数大于0.5%时,Δm 值减少,钎料的抗氧化性能提高。

根据薄膜色泽的物理原理,当氧化膜的厚度与入射波长成一定倍数时,由于入射光与反射光的干涉,氧化膜会呈现特定的色泽,这种色泽会随着氧化膜厚度的变化而有规律地变化,当膜比较厚时,金属光泽将消失,光亮镜面将变模糊而呈现灰色。所以根据液态钎料氧化膜颜色的变化可以直接估计氧化膜的厚度和定性比较氧化的程度

[13]

。

观察Sn -8Zn 钎料表面颜色的变化,随着加热时间的增加,表面氧化膜的颜色很快变为灰白色而失去金属光泽,说明钎料的抗氧化性能差。仔细观察Sn -8Zn -x B i 系钎料的抗氧化性能,该合金系所形成的氧化膜形态和颜色变化基本相同。以Sn -8Zn -1.25B i 钎料为例:钎料加热初期表面呈金属光泽,随着加热时间的延续,颜色逐渐加深变为褐色,1h 搅拌后钎料表面呈殷红色,表面有小的凸起生成,同时有细小的裂纹,2h 后,表面开始变得粘稠,经3h 搅拌后,颜色开始由淡黄色-殷红色-青色-灰白色转变迅速,氧化膜增厚,4h 时后表面颜色转变速度加快,只要几分钟就能完成,氧化膜厚度不在增加,5h 搅拌后颜色变化大体一致,氧化膜变得致密、平整,6h 后能迅速形成致密的氧化膜,转

198

电子工艺技术 第27卷第4期