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中亞（天津）電子錫焊技術(shù)有限公司

重視環(huán)保、提倡綠色產(chǎn)品是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢(shì)。鉛錫焊料的使用已有約兩千年的歷史，在現(xiàn)代電子裝配工業(yè)中更是得到廣泛應(yīng)用。由于鉛對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)的損害給人類健康帶來(lái)不可忽視的危害，鉛污染問(wèn)題日益受到人們的重視，以至于國(guó)際上已禁止在電子裝配工業(yè)中使用含鉛材料。為積極響應(yīng)全球綠色制造、無(wú)鉛化制程的趨勢(shì)，與國(guó)際上已發(fā)展的無(wú)鉛焊料專利相抗衡，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)鉛焊料已成為電子制造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。同時(shí)，電子工業(yè)日新月異的發(fā)展對(duì)焊接性能也提出了越來(lái)越高的要求，微型化和高密度集成的焊點(diǎn)所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)負(fù)荷越來(lái)越重，對(duì)其可靠性要求日益苛刻。由于工作環(huán)境溫度變化導(dǎo)致熱疲勞而引發(fā)的電子裝配失效問(wèn)題一直是電子工業(yè)所面臨的最大難題。

自2006年開始，天津大學(xué)與中亞(天津)電子錫焊技術(shù)有限公司等從焊點(diǎn)服役過(guò)程熱力耦合循環(huán)作用入手，開展了Sn-Ag-Zn系無(wú)鉛焊料組織形成與演化機(jī)理的研究，提出了自適應(yīng)無(wú)鉛焊料（通過(guò)焊料組分選擇及成形工藝控制，使其在焊料組織中生成具有形狀記憶性能的金屬間化合物AgZn相，確保高連接可靠性）的研發(fā)思路。形成了兩類具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能、低成本自適應(yīng)無(wú)鉛焊料產(chǎn)品。與國(guó)際主流SAC305焊料相比，所開發(fā)的高性能焊料的性能提高至1.6倍，原材料成本減少10%；同時(shí)通過(guò)大幅度降低Ag含量，開發(fā)了另一系列的高性能低成本焊料，其力學(xué)性能與國(guó)際主流SAC305焊料相當(dāng)，原材料成本減少了45%。該研究成果已在中亞(天津)電子錫焊技術(shù)有限公司產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品銷往天津、江蘇和西安等全國(guó)各地，實(shí)現(xiàn)銷售收入2100多萬(wàn)元。產(chǎn)品性能穩(wěn)定，獲得了用戶的認(rèn)可與良好評(píng)價(jià)。

在研制和開發(fā)高性能、低成本無(wú)鉛焊料的過(guò)程中 ,該項(xiàng)目課題組不斷追求技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品性能提高。 “錫銀鋅系無(wú)鉛焊膏及其制備方法”、“低銀含量的錫銀鋅系無(wú)鉛焊料”、“一種自適應(yīng)無(wú)鉛焊料成份及制備方法”、 “氧化鋯納米顆粒增強(qiáng)型錫銀復(fù)合焊料及其制備方法”、“銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)型錫銀復(fù)合焊料及制備方法”五項(xiàng)技術(shù)分別獲得了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的發(fā)明專利證書。此外，出版專著1部，發(fā)表SCI論文35篇，其中Solder Surf Mt Tech 22 (2010) 13獲英國(guó)Emerald出版社2011年高度贊揚(yáng)獎(jiǎng)。

7-1 抗高溫蠕變的Sn-Cu基釺料合金
    在衆(zhòng)多的錫基無(wú)鉛釺料合金體系中，Sn-Cu共晶系釺料由于不含銀，有著優(yōu)越的性價(jià)比。在國(guó)內(nèi)電子制造行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。該合金主要應(yīng)用于波峰焊、浸焊以及手工焊接等工藝。
焊接接頭的組織溫度性差是該釺料的主要缺點(diǎn)之一。這嚴(yán)重制約了其在高可靠性電子産品上的應(yīng)用。該合金的抗氧化性能較差是其另一個(gè)缺點(diǎn)，抗氧化性能差使得在波峰焊過(guò)程中液態(tài)釺料的出渣率增加，提高了成本。
    針對(duì)該合金存在的上述問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的深入研究，采用微合金化的手段，通過(guò)添加Co、Ni、P等多種微量元素，大幅提高了Sn-Cu釺料合金組織，特別是焊接接頭界面組織的高溫穩(wěn)定性和釺料的抗氧化能力。
    研究發(fā)現(xiàn)，Co和Ni可以有效改變釺料/銅基闆界面化合物的形態(tài)。圖1（a）和（b）分別給出了傳統(tǒng)的Sn-Cu/Cu反應(yīng)界面和本專利合金SC-Co-Ni-（P）/Cu界面化合物形貌的顯著差別?？梢园l(fā)現(xiàn)，微量的Co、Ni可以使界面化合物從粗大的扇貝裝轉(zhuǎn)變爲(wèi)密實(shí)的層狀結(jié)構(gòu)。盡管焊態(tài)下本專利合金所形成的化合物層有所增厚，但是由于界面層密實(shí)、平坦，焊接接頭在受外力作用時(shí)，界面處不容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此接頭的力學(xué)性能有所提高，特別是抗沖擊和抗震動(dòng)性能要優(yōu)于扇貝裝的界面結(jié)構(gòu)。
    最新研究發(fā)現(xiàn)，這種層狀界面化合物還具有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，就是組織的高溫穩(wěn)定性要顯著優(yōu)于扇貝狀界面結(jié)構(gòu)，在高溫老化試驗(yàn)中，其增長(zhǎng)速度顯著低于扇貝狀的界面結(jié)構(gòu)。
    更爲(wèi)重要的是，經(jīng)過(guò)對(duì)界面組織的顯微分析發(fā)現(xiàn)，密實(shí)的層狀化合物層還可以有效抑制Cu基闆側(cè)Cu3Sn化合物的形成。圖2是兩種界面組織在經(jīng)過(guò)150度24小時(shí)時(shí)效後界面層的顯微組織結(jié)構(gòu)，可以看出，在扇貝狀界面層下已經(jīng)形成了一層連續(xù)的Cu3Sn化合物層，而在密實(shí)的層狀界面層下幾乎看不Cu3Sn層的出現(xiàn)。我們知道，Cu3Sn化合物的存在是由于在界面層處由于Sn與Cu原子擴(kuò)散速度不同所形成的，它的形成往往伴隨著Kenkidall 空洞的出現(xiàn)，這是造成接頭力學(xué)性能下降，特別是抗蠕變性能下降的主要原因。在扇貝狀界面層中，相鄰兩個(gè)扇貝狀Cu6Sn5化合物之間爲(wèi)Sn、Cu原子的擴(kuò)散提供了快速通道，因此Cu3Sn化合物層很容易形成；而在層狀界面層結(jié)構(gòu)中，切斷了這種快速擴(kuò)散通道，所以Cu3Sn化合物的形成速度大大降低。
    圖3是Sn-0.7Cu和SC-Co-Ni-P合金釺接Cu接頭經(jīng)過(guò)150度24小時(shí)高溫時(shí)效後的蠕變性能測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，本釺料合金的焊接接頭的抗蠕變性能增加了一倍以上。同時(shí)，該合金的潤(rùn)濕性能也有所提高，圖4是兩種合金在銅表面上的潤(rùn)濕性試驗(yàn)結(jié)果。 該合金不含Pb等禁用元素，也不含Ag等貴金屬材料，成本低廉，焊接工藝性能與Sn-0.7Cu釺料合金接近。可以適用于各種電子産品的封裝，特別是對(duì)于需要在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期服役的電子産品來(lái)講，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。
    該合金已經(jīng)申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)枺?009100705088

圖1 Sn-0.7Cu與SC-Co-Ni-P釬料在Cu表面界面化合物層的形貌對(duì)比。
(a)Sn-0.7Cu	(b)SC-Co-Ni-P
圖2 150℃時(shí)效24小時(shí)后界面IMC形貌	圖4 微量Co、Ni元素對(duì)Sn-0.7Cu鋪展性能的影響