Sn-Zn-Bi低熔点合金钎料的性质研究.doc

Sn-Zn-Bi低熔点合金钎料的性质研究摘要： Sn-zn基合金可以作为低熔点无铅钎料，它可以替代有毒的sn-pb钎料，当代，人们通常是通过改变bi或zn的含量来改变sn-zn-bi合金的熔点，润湿性，物理性能和与铜焊接时焊点的安全可靠性，结果表明，bi的加入可以明显提高sn-zn基合金的润湿性，同时还会降低sn-zn-bi合金的熔点，加入少量的bi可以增强sn-zn-bi钎料与铜焊接处焊点的抗拉强度和剪切强度，但是，如果加入的bi过量就会导致抗拉强度的降低。减少zn的含量可以改变钎料的物理性能，但不会明显改变钎料的熔点和关键词： 无铅钎料，sn合金 熔点 润湿性 1，介绍： 铅对环境和人体的有害影响已经促使人们对无铅钎料进行了一系列的研究，当前，几种无铅钎料合金已经具备了替代传统的sn-pb钎料的巨大潜力。 对于电子产品方面所需的钎料，一个重要而且必须的要求就是这种钎料要有和sn-pb共晶合金相当低的熔点，sn-zn共晶合金是替代品中熔点最接近sn-pb共晶合金的。为了提高sn-zn二元合金其他的性能，人们一直都在进行者研究，这种合金最重要的问题就是他的润湿性比较差，当前研究表明，液相表面高的张力和zno在液相表面的流动性抑制了钎料与铜母材的润湿。 通过研究，我们知道在sn-zn合金中加入bi可以提高合金的润湿性，当加入bi后合金的其他性能例如热力学性能，物理性能，与铜母材的焊点的剪切强度的都正在被人们所研究。2.实验准备99.9%的sn，99.9%的zn，99.9%的bi在n2中并在低于450度的条件下熔化，然后浇注到铁模中 ，浇注成直径为12mm的棒条状坯料，然后再空气中冷却，表一是所得到的试样的化学组成。 在丙酮中利用超声波清洗潜力哦啊和母材，为润湿实验做准备，做DSC实验所需的试样大约为20mg，将试样在170度到220度的ar环境下一以5度每分的速率进行热处理，润湿实验在n2中进行，并按照GB11364-89进行，做抗拉试验的试样的截面积如图1（b）通过光学显微镜观察合金的显微组织和焊点，并通过X-射线衍射实验和电子探针实验对其进行分析，试样抛光后在5%hcl和95%c2h2oh的溶液中进行腐蚀。3.结论与分析：3.1 sn-zn-bi合金的热力学性能 图2是sn-zn共晶合金和一系列的sn-zn-bi合金的DSC图像，随着bi含量的变化，合金熔点的变化如图2（a）所示，随着bi含量的增加，合金的熔点会降低，但同时合金所产生的危害也会越大， An含量对熔点的影响如图2（b和c)所示，当zn含量从6%到12%之间变化时，合金的熔点没有明显的变化，当加热是出现转变时，在sn-3sn-4bi和sn-3zn-6bi合金的曲线上就会出现两个明显的峰顶。通常，这两种转变过程引起很大的温度波动，合金的这种得点会破坏焊接时焊点的安全可靠性。3.2 sn-zn-bi合金的润湿性 Bi的加入可以提高sn-zn基钎料与铜母材焊接时的润湿性，当bi的含量在2%到10%之间变化时，润湿的区域是增加的，如图3（a）所示，bi是一种表面活跃元素，sn-bi合金的液相表面张力在相同的环境下比sn-pb和sn-zn共晶合金小得多，由于这个原因，bi的增加会降低液相钎料的表面张力，同时会促进与铜母材的扩散。 图3（b）显示了润湿区域随着zn含量的变化而变化，sn-xzn-(4,6)bi合金中随着zn的增加会提高合金与铜母材的润湿性，尽管zn不是表面促进元素，但与sn和bi相比，zn更倾向于与铜母材相互作用。也就是说，zn与铜焊接时比sn和bi更容易扩散。就像图4中所示，sn-zn-bi钎料中zn的增加可以引起更多的zn原子扩散进cn母材中，扩散的深度大约为10微米，这种扩散情况往往会破坏钎料与铜母材的界面力。 3.3机械性能和微观组织 图5是随着bi和zn含量的变化，sn-zn-bi合金钎料的张力试验结果。Bi的含量一般不会超过4%随着bi含量的增加，张力强度也会明显的增加。当bi的含量超过4%时，随着bi的增加，张力强度增加也会逐渐般的缓慢。但随着bi含量的增加合金的伸展性会逐渐下降。随着zn的含量变化，抗拉强度曲线上也会出现一个高峰。Bi的增加可以使它更容易融入sn中从而增强zn模的强度。如图6（a和b）中，在sn-9zn-6bi中不会出现富bi相。 但是，如图6（f）所示，随着zn含量的增加，会出现巨大的富zn相。同样的原因，随着bi含量的增加，钎料的强度会下降，富zn区和富bi区的表面上会产生压应力，因此，随着bi和zn含量的降低，sn-zn-bi合金的延展性也会降低。3.4焊点性能和微观组织 如图8所示，焊点的剪切强度会随着bi含量的变化而变化。Bi含量的略微提高可以提高sn-zn-bi钎料与铜母材的剪切强度。当bi的含量超过4%时就会产生相反的结果。Sn-zn-bi钎料与铜母材的焊点的剪切强度比sn-40pb与铜母材的剪切强度要低。Sn-40pb与铜焊接的焊点的剪切强度与sn-40pb与其他的母材相似，但sn-zn-bi与铜焊点的剪切强度比sn-9zn钎料要低。 图9（c和d）表示了sn-40pb与铜还有sn-9zn-2bi与铜的焊点和剪切面的显微组织，在这两种钎料的界面处出现了折痕。他们之间的不同sn-9zn-2bi与铜的界面处有大量的空间没有裂痕，界面旁的区域的应力出于减少中。图10中焊点外明显存在zn富集区，但是与之相邻的区域没有zn富集区，因为zn原子的扩散作用。4，总结Bi的增加可以明显提高sn-zn基合金的润湿性，同时可以降低合金的熔点，但过量的bi反而会产生相反的作用，所以bi的含量必须被控制。合适的Zn的含量可以提高sn-zn-bi合金的润湿性，但对合金的熔点没有太大的影响。 当合金中加入少量的bi时，合金的抗拉强度和焊点的剪切强度会用所提高，但是过量的bi会产生相反的效果，为了得到良好的机械性能zn和bi的含量必须得到控制。 空洞总是出现在sn-zn-bi合金与铜母材的界面处，它是由于液体钎料的收缩所引起的，和sn-40pb与铜的焊点相比，sn-zn-bi焊点处得空洞会降低焊点的强度。图1.机械性能图解：（a）钎料的抗拉强度（b）钎料剪切强度 （a）温度 (b)温度 （c）温度 图2：Sn-9Zn的DSC曲线与Sn-Zn-Bi钎料的不同（温度上的）（a）Sn-9Zn-XBi（b）Sn-XZn-6Bi（c）Sn-XZn-6Bi 图3：随着Sn-Zn含量的变化时的润湿区域的变化（a）Sn-9Zn-XBi（b）Sn-XZn-6Bi图4：钎料与铜表面的EMPA线的分析图：（a)Sn-3