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7-1 抗高溫蠕變的Sn-Cu基釺料合金 
　　在衆(zhòng)多的錫基無鉛釺料合金體系中，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題，我們經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的深入研究，采用微合金化的手段，通過添加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150度24小時(shí)高溫時(shí)效後的蠕變性能測(cè)試結(jié)果。可以看出，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講，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。 

最新產(chǎn)品推介

圖1 Sn-0.7Cu與SC-Co-Ni-P釺料在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)後界面IMC形貌

圖4 微量Co、Ni元素對(duì)Sn-0.7Cu鋪展性能的影響

自適應(yīng)無鉛焊料研發(fā)及其連接可靠性研究
 
　　電子工業(yè)的飛速發(fā)展以及人們環(huán)保意識(shí)的提高迫切要求發(fā)展無鉛焊料，無鉛焊料焊點(diǎn)組織中普遍存在的金屬間化合物往往引起連接性能惡化，甚至導(dǎo)緻電子器件失效。因此，對(duì)焊點(diǎn)組織中金屬間化合物的形成進(jìn)行控制是提高其連接可靠性的關(guān)鍵。本項(xiàng)目從焊點(diǎn)服役過程熱力耦合循環(huán)作用入手，創(chuàng)造性地提出了發(fā)展自適應(yīng)無鉛焊料的新思路：通過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。通過研究多元Sn-Ag-Zn-Bi-X合金凝固過程及連接界面反應(yīng)中金屬間化合物的析出與演化規(guī)律，建立焊點(diǎn)凝固、界面反應(yīng)及服役過程的組織選擇圖，從中確定符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的自適應(yīng)無鉛焊料配方及成形工藝。該項(xiàng)目對(duì)避開國(guó)際上無鉛焊料專利和綠色電子産品保護(hù)壁壘、實(shí)現(xiàn)無鉛化電子封裝和確保組裝件可靠服役具有重要的意義。

 
1、高性能Sn-Ag-Zn自適應(yīng)無鉛焊絲（棒）
1.1 成分 Ag 3.0-3.7 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量 抗拉強(qiáng)度 74.0 MPa 熔點(diǎn) 215.7 oC 延伸
率 29-33%
1.2 成分 Ag 3.0-3.7 Bi 1.0-4.2 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量抗拉強(qiáng)度 68.5 MPa 熔點(diǎn)
205.1 oC 延伸率 28-35%
 
2、低成本高性能Sn-Ag-Zn自適應(yīng)無鉛焊絲（棒）（與SAC305性能相當(dāng)，原材料成本下
降40%）

2.1 成分 Bi 1.0-4.2 Ag 0.1-0.7 Zn 0.5-1.5 Sn餘量 抗拉強(qiáng)度 68.0 MPa 熔點(diǎn) 209.5 oC 延伸率
33%
2.2 成分 Ag 0.1-0.5 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量 抗拉強(qiáng)度 28.6 MPa 熔點(diǎn) 196.3 oC 延伸
率 28-35%
 
3、高性能Sn-Ag-Zn自適應(yīng)無鉛焊膏

3.1 成分 Ag 3.0-3.7 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量 助焊劑 8-12
抗拉強(qiáng)度 76.0 MPa 熔點(diǎn) 215.1 oC 延伸率 29-38%
3.2 成分 Ag 3.0-3.7 Bi 1.0-4.2 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量助焊劑 8-12抗拉強(qiáng)度 68.5
MPa 熔點(diǎn) 205.2 oC 延伸率 28-35%
 
4、低成本高性能Sn-Ag-Zn自適應(yīng)無鉛複合焊膏

4.1 成分 Bi 1.0-4.2 Ag 0.1-0.7 Zn 0.5-1.5 Cu 0.01-0.05 Sn餘量助焊劑 8-12抗拉強(qiáng)度 75.0
MPa 熔點(diǎn) 209.2 oC 延伸率 33-38%
4.2 成分 Ag 0.1-0.5 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Cu 0.01-0.05 Sn餘量助焊劑 8-12抗拉強(qiáng)度
42.6 MPa 熔點(diǎn) 195.3 oC 延伸率 32-39%