1、目前共晶Sn-Ag-Cu焊料為最常用的無鉛焊料。但是由于共晶焊料中容易產(chǎn)生粗大的Ag3Sn金屬間化合物(IMC),造成可靠性下降。此外,由于Ag的成本較高也限制了共晶Sn-Ag-Cu焊料的使用。另一方面,商業(yè)化的低Ag焊料SAC105比共晶SAC305焊料在抗沖擊性能上更可靠,但是降低Ag含量會帶來熔融性能降低和強度降低,以及由此引起的可靠性問題,因此SAC105焊料也未得到廣泛應(yīng)用。
　　本文以解決低Ag含量引起的熔融性能和強度

2、降低為目標,首先通過熱力學(xué)分析確定研究對象體系。通過熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),Sn-Ag-Zn體系焊料可以通過調(diào)整Zn含量來提高低 Ag焊料的熔融性能,而其它體系焊料不具備這一性質(zhì)。除此之外,相比Sn-Ag-Cu焊料,Sn-Ag-Zn焊料具有其它一些優(yōu)點例如強度、抗沖擊性能等等。目前業(yè)界需要一種具有良好熔融性能和力學(xué)性能的低Ag焊料,但是對于Sn-Ag-Zn焊料體系的研究主要集中在共晶成分附近,而低Ag含量Sn-Ag-Zn焊料還未見報道。因此,本

3、文后續(xù)研究以低Ag焊料Sn-Ag-Zn三元體系作為對象。
　　本文通過DSC分析、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)和室溫拉伸來研究焊料合金熔融、微觀組織和力學(xué)性能及其聯(lián)系;然后將焊料運用于Cu和Ni/Cu基板制備成焊點,經(jīng)過不同的熱老化環(huán)境后,通過剪切力測試研究焊點力學(xué)性能和熱老化可靠性,并對界面微觀形貌和斷口進行了研究以確定斷裂機理;之后于三元合金體系添加第四組元來研究進一步提高焊料性能的可靠性;最后通過電化學(xué)分析

4、來研究焊料的抗腐蝕性能。
　　通過對Sn-Ag-Zn體系焊料熔融性能、微觀組織和力學(xué)性能的系統(tǒng)研究。最后確定Sn-1.5Ag-2Zn和Sn-2Ag-2.5Zn兩個優(yōu)化配比及形成機理。優(yōu)化的Ag、Zn配比可以有效抑制焊料中的先共晶相的形成,并在共晶族間形成連續(xù)塑性良好的β-Sn界面。因此,優(yōu)化的配比不僅可以提高焊料的熔融性能和強度,還能大幅提升焊料的塑性,其熔融性能和強度超過共晶SAC305焊料,Sn-2Ag-2.5Zn焊料的塑性優(yōu)

5、于SAC105焊料。
　　在回流焊接后,優(yōu)化焊料制備的Sn-1.5Ag-2Zn/Cu和Sn-2Ag-2.5Zn/Cu焊點在同樣具有良好的強度和韌性。研究發(fā)現(xiàn),回流過后的Sn-xAg-1Zn/Cu焊點會形成脆性界面,焊點強度和塑性大幅降低。添加焊料中的Zn含量至2wt.％以上可以有效提升焊點界面強度,使得焊點由焊料內(nèi)部發(fā)生斷裂。由于優(yōu)化配比的焊料有良好的力學(xué)性能,使得焊點的力學(xué)性能也得以提高。但是研究過程中也暴露出Sn-Ag-Zn/

6、Cu焊料的兩個缺點:Sn-Ag-Zn焊料潤濕性隨Ag含量降低而大幅下降;Sn-Ag-Zn/Cu焊點在150oC下長時間老化后發(fā)生嚴重界面反應(yīng)的問題。
　　150oC下Sn-Ag-Zn/Cu焊點界面反應(yīng)的問題和Sn-xAg-1Zn焊點界面脆性的問題可以通過Cu焊盤鍍Ni的方式來解決?；亓骱附雍骃n-Ag-Zn/Ni/Cu焊點的韌性要高于Sn-Ag-Zn/Cu焊點。在150oC長時間老化后Sn-Ag-Zn/Ni/Cu界面也會形成顆粒狀

7、Ag3Sn IMC。由于Sn-xAg-1Zn焊料內(nèi)部存在Ag3Sn相,有利于界面Ag3Sn生長,所以Sn-xAg-1Zn/Ni/Cu焊點老化后力學(xué)性能下降比較大,而Zn含量高于2wt.%的焊點力學(xué)性能下降較小。同樣優(yōu)化配比的Sn-1.5Ag-2Zn/Ni/Cu和Sn-2Ag-2.5Zn/Ni/Cu焊點具有良好的強度和韌性。
　　添加Cr、Cu、Ni可以有效提高Sn-Ag-Zn焊料的潤濕性,可有效避免因Sn-Ag-Zn焊料潤濕性不足

8、而產(chǎn)生的焊接缺陷,使得焊點強度進一步提高。但是過多添加會造成成分偏析,為了避免偏析,三種元素的添加量為0.05 wt.%Cr、0.1wt.%Cu、0.1 wt.%Ni。其中,回流焊接后添加 Cu的焊點塑性較差,從而韌性較差;而添加 Cr和Ni的焊點塑性沒有明顯變化,韌性較好。而在250oC,4小時回流焊接后添加Cr的焊點強度和韌性明顯下降,其原因可能是長時間回流使過飽和固溶的Cr析出,因此添加Cr的焊料不適用于波峰焊和浸焊。而添加Ni和

9、Cu的焊點保持良好的韌性。
　　通過電化學(xué)腐蝕分析可以看到,Sn-Ag-Zn體系焊料的抗腐蝕能力介于Sn-Ag-Cu焊料和Sn-Zn焊料之間,而Sn-Ag-Zn焊料之間抗腐蝕能力差別不大。在Sn-xAg-1Zn焊料中,Sn-2Ag-1Zn焊料抗腐蝕性能較好;而Sn-2Ag-xZn焊料中,抗腐蝕性能隨Zn含量的上升而下降,但是Zn含量達到3wt.%時抗腐蝕能力改善。本次研究中,由于第四組元添加量較少,因此添加第四組元后對Sn-2Ag