新型Sn-9Zn基低熔點(diǎn)無鉛焊料的研究.pdf

1、Sn-Zn共晶焊料因其熔點(diǎn)較低、接近Sn-Pb焊料,且力學(xué)性能優(yōu)良、價(jià)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(rùn)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(guó)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(duì)象,以提高焊料抗氧化性為主要目標(biāo),并綜合考慮合金的潤(rùn)濕性、熔點(diǎn)及力學(xué)性能,選擇Cr、Al、Ti、La等代表性合金元素,對(duì)Sn-9Zn-

2、M三元合金焊料的各種性能進(jìn)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(xué)性能的Sn-9Zn-Cr合金,就其制備方法、不同Cr含量對(duì)各項(xiàng)性能的影響、焊點(diǎn)界面反應(yīng)行為及其作用機(jī)理作了詳細(xì)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(duì)焊料的抗氧化性均有明顯的改善,但作用機(jī)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(jìn)而阻止焊

3、料的進(jìn)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(jìn)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(rùn)濕性,在實(shí)際當(dāng)中難以被采用,而Cr、La元素使Sn-9Zn焊料的潤(rùn)濕性略有提高

4、。綜合以上結(jié)果,Cr在不破壞潤(rùn)濕性、保持低熔點(diǎn)的同時(shí),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?？紤]到今后的應(yīng)用,為了解決低熔點(diǎn)Sn、Zn與高熔點(diǎn)Cr的合金化問題,研究中對(duì)采用不同中間合金的焊料制備技術(shù)進(jìn)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(duì)Sn-9Zn合金微觀組織有明顯的細(xì)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(duì)Sn-9Zn-Cr焊料各項(xiàng)性能有重要的影響,存在一個(gè)最佳含量范圍。當(dāng)Cr含量達(dá)到0.1wt.%時(shí),焊料具有最好的抗氧化能力和潤(rùn)濕性能,同時(shí)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(diǎn)可靠性是評(píng)價(jià)焊料好壞的重要性能,因此本研究還考察了Sn-9Zn(-xCr)/Cu焊點(diǎn)界面反應(yīng)情況。通過對(duì)界面金屬間化合物層的形貌、厚度及生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究,結(jié)果顯示:(1)在Sn-9Zn

6、(-xCr)/Cu焊點(diǎn)中,界面處金屬間化合物的成分為Cu5Zn8;隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),金屬間化合物層的厚度增加;(2)Sn-9Zn(-xCr)/Cu焊點(diǎn)界面反應(yīng)受擴(kuò)散控制。Sn-9Zn焊料中的Cr含量達(dá)到0.1wt.%時(shí),其界面反應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最低,表觀激活能達(dá)到最高,對(duì)界面反應(yīng)的抑制效果最佳。界面處金屬間化合物層生長(zhǎng)的減緩,筆者認(rèn)為主要是因?yàn)镃r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