典型添加元素对Sn-Zn系钎料性能的影响

Sn-Zn钎料被认为是传统Sn-Pb共晶钎料的最佳替代合金之一,它以低廉的成本、较好的力学性能以及其共晶成分与Sn-37Pb钎料熔点相近等优点引起了人们的广泛关注,但其润湿性、抗氧化性、抗腐蚀性不够理想.阐述了Bi、A1、In、Ag、Cu及稀土元素(RE)等典型添加元素对Sn-Zn钎料各种性能的影响,以期为Sn-Zn钎料的研究开发和应用提供参考.     

微量Si元素对Sn-0.7Cu钎料组织及钎焊性能的影响

研究了Si元素对Sn-0.7Cu钎料合金钎焊性能的影响。采用感应熔炼工艺制备出Sn-0.7Cu-x Si (x=0,0.1,0.3,0.5,0.75,1.0;%,质量分数)钎料合金,通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计及万能拉伸实验验机等分析测试方法研究了Sn-0.7Cu-x Si钎料微观组织、界面形貌、熔化特性及力学性能。研究结果表明：加入0.1%的Si元素后,晶粒明显细化,共晶相增多,界面层厚度降低,此时硬度及抗拉强度达到最大值(HV_0.025 11.38,37 MPa);随着Si含量的继续增加,Sn-0.7Cu-x Si钎料合金晶粒逐渐粗化,共晶组织减少,同时过量黑色的Si颗粒聚集,界面处化合物层厚度不断增加;钎料的熔点随着Si含量的增加无明显变化,过冷度逐渐降低,当Si元素添加量超过0.5%后趋于稳定,相比于Sn-0.7Cu钎料合金降低了46.5%;Sn-0.7Cu-x Si钎料合金的润湿性随着Si含量的增加先升高后降低,在Si元素含量为0.5%处润湿面积最大(93.71 mm²),显微硬度及剪切强度逐渐降低。     

热疲劳对纳米结构强化的无铅焊点性能的影响

研究了热疲劳对Sn-3.5Ag共晶钎料及其复合钎料的残余机械性能和显微组织变化的影响.通过向sn-3.5Ag基体钎料中添加微量的不同种类的纳米级多面齐聚倍半硅氧烷(POSS)颗粒制成复合钎料.对接头在不同热疲劳曲线下进行热疲劳试验,通过力学性能试验和SEM分析了疲劳裂纹生长情况.结果表明,经不同周期热疲劳试验后,复合钎料接头表面损伤较Sn-3.5Ag钎焊接头得以明显改善,残余机械性能高于Sn-3.5Ag共晶钎料.     

含Yb的Sn-Zn无铅钎料性能研究

研究了Yb对Sn-9Zn无铅钎料性能和组织影响。研究结果表明,微量Yb可以显著改善Sn-Zn钎料润湿性、焊点力学性能、抗热疲劳性能和抗蠕变特性。发现Yb最佳添加量为0.04%(质量分数),过量的Yb可以明显恶化钎料和焊点的性能,归因于大块稀土相的形成。另外,适量Yb的添加,Sn-Zn钎料的组织得到显著细化,富Zn相尺寸明显减小。     

微量Ge对Sn-0.7Cu高温钎焊界面组织的影响

测试了Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.012Ge钎料在不同钎焊温度下的润湿性,研究了Ge元素对老化过程中钎焊界面金属间化合物(IMC)层生长速率的影响。结果表明:2种钎料的润湿性相差不大,但添加了Ge元素的Sn-0.7Cu-0.012Ge钎料在不同钎焊温度下的漫流性得到了明显的改善,相应提高了约4.00%~5.00%;250℃和350℃钎焊温度下,Sn-0.7Cu/Cu钎焊界面IMC在150℃的老化条件下的生长速率分别为3.24×10-18m2/s和2.50×10-17m2/s,Sn-0.7Cu-0.012Ge/Cu钎焊界面IMC的生长速率分别为2.66×10-18m2/s和1.48×10-17m2/s。Ge元素在钎焊界面处富集,提高了界面IMC的致密性,阻碍了原子的扩散,在一定程度上抑制了界面IMC层的粗化与增厚。     

新型无铅焊料Sn-Ag-Cu-Cr-X的性能研究

传统的SnPb钎料由于Pb的毒性即将被禁止在微电子连接上使用, 加上现在集成电路小型化、微型化以及高密度化的趋势;对所要开发的无铅钎料性能要求愈来愈高.以 Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料为母合金, 添加了不同含量的合金元素Cr以及微量的合金元素Al或P, 得到了一种新的Sn-3.0Ag-0.5Cu-Cr-P, 测得熔点在217 ℃左右, 抗拉强度达46 Mpa, 电导率在8.2(106 S·m-1)以上, 并具有很好的抗氧化性能.     

基于JMat Pro的Sn-In-Ag/Bi系低温无铅钎料成分性能设计

针对Sn-In系低温无铅钎料存在生产成本高、力学性能偏低的问题,基于Sn-In合金相图选择低熔点的Sn-In系钎料合金,进行组分优化来改善热物性能、力学性能、降低成本的研究。在保持Sn75不变的情况下,通过添加Ag和Bi元素,形成不同组分比例的Sn-In-Ag/Bi的低温无铅钎料。采用材料相图与热力学模拟软件JMatPro中的锡合金模块对低温钎料组分进行模拟计算,获得不同组分的无铅钎料的相组成、热物性能和力学性能。同时,研究温度和合金含量对熔点、熔化区间、热物性能和力学性能的影响规律。模拟结果表明,Sn-In-Ag和Sn-In-Ag-Bi系两类低温无铅钎料的优化组分分别为Sn75Ag3In22和Sn75In17Ag3Bi5。     

温度时效对SnAgCuLa/Cu接头金属间化合物层形貌和厚度的影响

SnAgCu系无铅钎料是颇具潜力的SnPb系钎料替代品,但该钎料在钎焊过程中会在钎料/铜基板界面生成具有一定厚度的金属间化合物层。锡基钎料钎焊接头的服役温度一般高于常温,在服役温度下,钎焊接头的金属间化合物(IMC)层的形态和厚度均会发生改变。本实验采用Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料,向其中添加不同量的La(x=0,0.2,0.5),比较各成分钎焊接头常温IMC层厚度,并将不同成分钎料的接头分别在75℃、125℃、160℃温度时效处理24h后,观察界面IMC层的形态并计算尺寸。结果表明,适量La的添加对界面IMC层的生长具有抑制作用;当La的添加量为0.5wt.%,与未添加La时相比,常温条件下,其IMC层厚度下降了41.51%;温度时效后,接头IMC层厚度与时效温度近似呈线性关系,且随着La的增加,其比例系数减小。     

建筑用钎焊接头组织与力学性能的研究

采用OM、XRD、SEM和拉力试验机,研究了钎焊工艺参数对SnAg0.5CuZn0.1Ni/Cu无铅微焊点界面金属间化合物(IMC)和力学性能的影响。结果表明:添加0.1%Ni(质量分数)能显著细化SnAg0.5CuZn钎料合金的初生β-Sn相和共晶组织;钎焊温度为270℃、钎焊时间为240 s时,钎焊接头的剪切强度达到最大值47 MPa。     

合金元素Cr,Al对Sn-Ag-Cu基无铅钎料高温抗氧化和润湿性的影响

研究了少量合金元素Cr，Al对Sn-3．0Ag-0．5Cu（305）无铅钎料高温抗氧化性的影响。钎料在液态下的表面颜色变化以及热重分析表明，Cr，Al能明显改善305合金钎料的抗氧化性能。通过合金元素Cr，AI的抗氧化机制和X射线衍射分析得出：Al和Cr在钎料表面形成致密氧化膜，形成“阻挡层”，抑制了钎料的氧化。同时也比较了合金元素Cr，Al对305钎料润湿性能的影响，结果表明：单独加Al不利于钎料的铺展，少量的Cr和Al同时加入对钎料的铺展没有太大的影响。实验证实：Cr和Al的共同作用明显提高了Sn-3．0Ag-0．5Cu钎料的高温抗氧化性，同时对钎料的润湿性也没有恶化作用。     

Effect of Microalloying on Wettability, Oxidation and Solidification Morphology of Sn-9Zn Alloy

EutecticorcloseneareutecticSn Pballoysare extensivelyusedinelectronicinterconnectionand packagingbecauseoftheirlowmeltingtemperatures, excellentwettabilitytocoppersubstratesandlow cost.Existingproductionlinesaredesignedonbasis ofSn Pbsolders.Withtheaccele…     

电感耦合等离子体质谱法测定锡铅焊料中11种杂质元素

锡铅焊料中的杂质元素对焊点的抗氧化性、润湿性、扩展面积有重要影响,因此对其进行测定意义重大。采用硝酸、氢氟酸溶解样品,选择H₂动态反应池模式测定Fe,标准模式测定Al、P、Cu、Zn、As、Cd、Ag、Sb、Au、Bi,同时以Sc校正Al、P、Fe、Cu,以Cs校正Zn、As、Ag、Cd,以Tl校正Sb、Au、Bi,实现了电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对锡铅焊料中这11种杂质元素含量的测定。在优化的实验条件下,11种杂质元素校准曲线的相关系数均大于0.999,方法的检出限在0.002~0.80μg/g范围内,测定下限在0.007~2.73μg/g范围内。用建立的实验方法测定锡铅焊料样品中Al、P、Fe、Cu、Zn、As、Cd、Ag、Sb、Au、Bi,平行测定11次结果的相对标准偏差(RSD)为0.85%~3.5%,加标回收率为90%~110%。将实验方法应用于锡铅焊料标准物质YT9302中Al、Fe、Cu、Zn、As、Sb、Bi共7种杂质元素的测定,结果与认定值一致。     

微量Ga元素对低银系无铅钎料抗氧化性能的影响

电子封装波峰焊从有铅到无铅的转换过程中,由于无铅钎料中锡含量比传统Sn37Pb钎料高,导致波峰焊过程中氧化渣的产生量很大。其不仅造成生产中的浪费,还会影响焊接质量。控制钎料氧化渣的产生量是当前无铅波峰焊技术必须要解决的一个重要问题。研究了目前常用的Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料在模拟波峰炉中的抗氧化情况。主要研究了微量Ga元素的加入对该钎料抗氧化性的影响。通过钎料的润湿实验和氧化锡渣的产出量的比较可以发现微量Ga元素的加入可以提高钎料的抗氧化性能,Ga元素的最佳含量是0.02%(质量分数),Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.020Ga的抗氧化有效温度范围是320℃以下,有效时间控制在120 min以下。利用俄歇能谱AES分析表明,微量元素Ga在焊料表面富集,O原子浓度的降低。热力学分析表明:Ga元素会在合金中优先氧化,阻碍钎料的进一步氧化;动力学分析表明:在保护膜内高价Ga离子使表面层离子排列空位增加并使电导率降低,是产生抗氧化性的原因。     

添加微量稀土元素对Sn-Ag-Cu系无铅焊料性能的影响

以Sn-3．0Ag-0．5Cu（质量分数，％）焊料为母合金，探讨了微量稀土元素Ce、Er、Y和Sc对Sn—Ag—Cu合金物理性能、润湿性能以及力学性能的影响。试验结果表明：稀土元素对焊料的性能有不同的影响，添加微量Ce元素可以更好地改善焊料综合性能。     

Thermal properties and interfacial reaction between the Sn-9Zn-<Emphasis Type="Italic">x</Emphasis>Ag lead-free solders and Cu substrate

The thermal properties and interfacial reaction between the Sn-9Zn-xAg lead-free solders and Cu substrate, such as solidus and liquidus temperatures, heat of fusion, intermetallic compounds, and adhesion strength, have been investigated. Two endothermic peaks appear in the DSC curve when the Ag content in the Sn-9Zn-xAg solder alloy is above 1.5 wt pct. The solidus temperatures of the Sn-9Zn-xAg solder alloys are around 197 °C, but the liquidus temperatures decrease from 225.3 °C to 221.7 °C and 223.6 °C with increasing the Ag content in the solder alloy from 1.5 to 2.5 and 3.5 wt pct, respectively. Three intermetallic compounds, namely, Cu₆Sn₅, Cu₅Zn₈, and Ag₃Sn are observed at the Sn-9Zn-xAg/Cu interface. The Cu₅Zn₈ is formed close to the Cu substrate, Ag₃Sn is adjacent to it, and Cu₆Sn₅ is nearest the Sn-9Zn-1.5Ag solder alloys. A bi-structural Cu₆Sn₅ layer with hexagonal η-Cu₆Sn₅ and monoclinic η′-Cu₆Sn₅ is found at the Sn-9Zn-1.5Ag/Cu interface due to Ag dissolution. A maximum adhesion strength of 10.7±0.8 MPa is obtained at the Sn-9Zn-2.5Ag/Cu interface as soldered at 250 °C for 30 seconds.     

Effect of Rare-Earth (La,Ce, and Y) Additions on the Microstructure and Mechanical Behavior of Sn-3.9Ag-0.7Cu Solder Alloy

In this article, we report on the microstructure and mechanical properties of Ce- and Y-containing Sn-3.9Ag-0.7Cu solders. The microstructures of both as-processed solder and solder joints containing rare-earth (RE) elements (up to 0.5 wt pct) are more refined compared to conventional Sn-3.9Ag-0.7Cu, with decreases in secondary Sn dendrite size and spacing and a thinner Cu₆Sn₅ intermetallic layer at the Cu/solder interface. These results agree well with similar observations seen in La-containing solders reported previously. The monotonic shear behavior of reflowed Sn-3.9Ag-0.7Cu-X(Ce, Y)/Cu lap shear joints was studied as well as the creep behavior at 368 K (95 °C). The data were compared with results obtained for Sn-3.9Ag-0.7Cu and Sn-3.9Ag-0.7Cu-XLa alloys. All RE-containing alloys exhibited creep behavior similar to Sn-3.9Ag-0.7Cu. Alloys with Ce additions exhibited a small decrease in ultimate shear strength but higher elongations compared with Sn-Ag-Cu. Similar observations were seen in La-containing solders. The influence of the RE-containing intermetallics (CeSn₃ and YSn₃) that form in these alloys on the microstructural refinement, solidification behavior, and mechanical performance of these novel materials is discussed.     

On the Asymmetric Growth Behavior of Intermetallic Compound Layers During Extended Reflow of Sn-Rich Alloy on Cu

When solder interconnects are fabricated, a Sn-based alloy is melted between two substrates with metallization layers, such as Cu or Ni. From the reaction between Sn and Cu, a Cu₆Sn₅ intermetallic compound (IMC) layer is formed at the solder/Cu interfaces. The morphology of the IMC layer greatly influences the mechanical behavior of the solder joint. Here, we report on the characterization of a novel, asymmetric growth behavior of IMC layers in Sn-3.9Ag-0.7Cu solder joints, based on gravity-induced spalling of the IMC.