Sn-Ag-Zn系无铅焊料及其连接界面组织形成与演化规律

1、Sn-Ag-Zn系无铅焊料及其连接界面组织形成与演化规律    在我国无铅产品已正式产业化近三年时间,但许多相关专利仍由外国把持。为研发具有自主知识产权的高性能无铅焊料,本文选取性能优越的Sn-3.7Ag-0.9Zn共晶合金为研究对象。首先,通过对凝固速率改变、成分配比调整、微合金化及颗粒增强相引入,系统研究了以上因素对共晶Sn-Ag-Zn合金组织形成过程的影响,并采用时效处理模拟了焊点的服役过程,揭示其组织中各相的演化规律;其次,由实验结果,分析了以上各个因素对共晶Sn-Ag-Zn合金性能的影响,比较了不同合金的强化机理及断裂机制;最后,结合保温时间、

2、合金组元成分配比、微合金化及颗粒增强对共晶Sn-Ag-Zn合金与Cu基板的连接界面的影响,对连接界面处金属间化合物的形成过程进行了系统阐述。上述研究所获得的主要结论有:共晶Sn-3.7Ag-0.9Zn(重量百分比)合金组织随冷却速度增大的变化规律为:平衡共晶组织(-Sn、Ag_3Sn和-AgZn)水冷伪共晶组织(-Sn、Ag_3Sn和'-AgZn)快速凝固-Sn枝晶组织。在时效处理过程中平衡组织稳定性好,而水冷态及快冷态组织变化较大,为减小体系内能,细小金属间化合物颗粒及-Sn枝晶均发生聚集长大。当Sn-Ag-Zn合金成分发生变化时,随Ag(0.33.7)含量的增加,合金组织中的金属间

3、化合物由富Zn相向富Ag相逐渐转变(-AgZn_3-Ag_5Zn_8-AgZn Ag_3Sn)。随Zn疤?的增加(03.0),合金熔体中的先析出相由Ag_3Sn变为-Sn相,金属间化合物由富Ag相向富Zn相逐渐转变(Ag_3Sn-AgZn-Ag_5Zn_8)。In元素加入后,由于Ag_3Sn县?gZn相对In原子的吸附,改变了两种金属间化合物各晶面的相对生长速度,破坏了原平衡合金组织的均匀性,生成了相同相组成的条状金属间化合物。Al的加入抑制了原平衡组织中AgZn相和Ag_3Sn相的析出,取而代之的是Ag_2Al相。微米SiC和Cu颗粒增强Sn-3.7Ag-0.9Zn复合焊料的组织中都出现了-

4、Sn枝晶,且随颗粒加入量的增多,-Sn枝晶及金属间化合物尺寸均得到细化。增强相颗粒在凝固过程中,能够提供形核位置,降低形核势垒,增大形核率,促进形核,增大结晶速度,抑制熔体过冷,细化了组织,提高了合金的凝固温度。与SiC颗粒不同,Cu颗粒加入后,导致Sn与Cu生成金属间化合物Sn-Cu相包围Cu颗粒生长,但生成的金属间化合物Sn-Cu相起到了与SiC颗粒相似的作用。高温时效后,金属间化合物Ag-Zn相依附于金属间化合物Sn-Cu相析出,并将其包覆住,阻止了金属间化合物的进一步粗化。因此,可通过控制加入Cu增强相颗粒的大小,对复合焊料中金属间化合物相的尺寸加以控制,获得与基体界面结合良好的增强相

5、。共晶Sn-Ag-Zn合金的显微硬度随凝固速度的增大而提高,其原因是快速凝固细化了晶粒,导致细晶强化。而由于时效过程中原子的扩散,造成组织粗化,使得时效后合金变软。发现In的加入提高了原合金的硬度及强度,降低了熔点,起到了积极作用;与此同时,组元Al的加入虽然大大提高了硬度,但提高了熔点,降低了合金与Cu板的润湿性,而且使得合金的脆性急剧增加,延展性下降,且随Al加入量的增加,其断裂机制由韧性向脆性转变,造成不利影响。颗粒增强复合焊料由于硬质颗粒的引入,本身就具有增强较软基体的效果,另外,颗粒加入后使得组织细化,晶界数目增加,且增强相颗粒有助于钉扎位错等,使得合金性能得到提高,熔点降低。通过控

6、制共晶Sn-Ag-Zn合金与Cu基板在250的保温时间(1、5和10min)发现:随保温时间的延长,界面处金属间化合物层由Cu_5Zn_8相和Cu_6Sn_5相两层转变为单层Cu_6Sn_5相组织且厚度增加。其它合金与Cu基板在250反应1min后只在界面处形成单层Cu_6Sn_5相金属间化合物,其中Ag的加入对Cu和Sn之间的相互扩散起到了一定的阻碍作用,随着Ag含量的升高,金属间化合物层变薄;随着Zn含量的提高,界面处的金属间化合物层的转变规律为:Cu_6Sn_5 Cu_6Sn_5+Cu_5Zn_8 Cu_5Zn_8;尤其发现了随着Al含量的提高,由于金属间化疤? Al-Cu等脆性相的生成

7、,在距界面不远处的合金内部产生裂纹,恶化了连接性能。同主题文章1.    沈骏,刘永长,张培珍,高后秀. 无铅焊料研究现状与发展展望' J. 功能材料. 2004.(04)    2.    韦晨,刘永长,韩雅静,沈骏. 自适应无铅焊料的开发与研究' J. 材料导报. 2006.(03)    3.    郑鲁. 国外金属间化合物技术' J. 世界产品与技术. 1996.(

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