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在传统电子行业中,Sn37Pb,Sn40Pb合金是广泛应用于微电子封装及电子产品组装的钎焊连接材料,在所有的电子钎焊材料中占据统治地位。然而Pb是一种有毒物质,含铅焊料的大量使用会给生态环境带来了严重的威胁。随着RoHS指令(关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令)和WEEE指令(关于废旧电子电气设备指令)在欧盟议会获得批准,电子产品在2006年7月1日后禁止含Pb,,因此,开发新型无铅焊料势在必行。
Sn-Zn系焊料由于熔点最为接近传统焊料而备受关注。然而由于Sn-Zn系合金的润湿性、抗氧化性问题并没有得到根本解决,在实际生产中往往要求增加焊剂活性或气氛保护以帮助焊料获得良好的润湿。如果这些问题得不到解决,这种焊料难以被广泛应用。
本文以Sn-Zn-Al合金为研究对象,在Sn9Zn,Sn7Zn二元合金的基础上加入微量的Al,以提高合金的润湿性和抗氧化性为主要研究目标,综合考虑合金的抗腐蚀性、熔点、熔程和力学性能,对Sn-Zn-Al合金进行优化。
在Sn9Zn和Sn7Zn中加入20~90ppmAl可以提高合金的抗氧化性能。在Zn含量不变的情况下,随着Al添加量的增加,合金的抗氧化性能提高。其原因是Al具有较高的活性,易于在合金熔体表面偏聚,形成的氧化膜Al<,2>O<,3>具有较好的致密性,抑制了合金基体的进一步氧化。相同Al含量的Sn-7Zn-xAl合金的抗氧化性能优于Sn-9Zn-xAl。这是因为Zn是易于氧化的元素,形成的ZnO膜较为疏松,不具保护性,因而氧化物随保温时间的延长不断增加。微量Al添加后在改善了合金的抗氧化性的同时也提高了合金的润湿性,并且随着Al添加量的增加,润湿性呈现先提高后降低的趋势。这是因为少量Al的添加后,合金熔体的表面张力降低,润湿性提高,然而随着Al的进一步添加,更为致密的氧化层不易被助焊剂去除,润湿性反而下降。
Sn-Zn-Al焊料的盐雾腐蚀以晶间腐蚀为主。20~90ppmAl添加后,Sn-9Zn-xAl的耐腐蚀性能下降,Sn-7Zn-xAl耐腐蚀性能略有提高,这主要是因为Al的添加使Sn-7Zn-xAl的晶粒变大,而使Sn-9Zn-xAl晶粒尺寸变小。Sn-Zn-Al焊料腐蚀后主要生成富Zn的腐蚀产物。具有较高Zn含量的合金腐蚀速度较快,这主要是由于Zn是一种活泼元素,而合金中的Zn主要以富Zn相的形式存在,因此这些Zn相容易被优先腐蚀。
Sn9Zn和Sn7Zn中20~90ppm Al的添加使合金的熔点略有提高,熔程略有增加。同时,Al的添加使Sn-9Zn-xAl合金的塑性大幅提高,其中Sn9Zn30ppmAl延伸率达50.5%,而Sn-7Zn-xAl合金随着Al含量的提高而降低。Al的添加使Sn-9Zn-xAl和Sn-7Zn-xAl合金的强度均有所降低,但仍然高于传统Sn-Pb焊料。