刘亮岐,徐金华,陈 胜,马 鑫,张新平

(1华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640; 2深圳市亿铖达工业有限公司,广东深圳518101)

L IU Liang2qi1,XU Jin2hua2,CHEN Sheng2,MA Xin2,ZHANG Xin2ping1

添加Ag元素对铝软钎焊用Sn21.5Zn系钎料性能的影响

刘亮岐1,徐金华2,陈 胜2,马 鑫2,张新平1

(1华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640; 2深圳市亿铖达工业有限公司,广东深圳518101)

L IU Liang2qi1,XU Jin2hua2,CHEN Sheng2,MA Xin2,ZHANG Xin2ping1

(1 School of Materials Science and Engineering,South China University of Techno logy,Guangzhou 510640,China;2 Shenzhen Yik Shing Tat Industrial Co.,L td.,Shenzhen 518101,Guangdong,China)

研究了添加不同含量Ag元素对铝软钎焊用Sn21.5Zn系钎料合金的熔化特性、显微组织、润湿性及钎焊接头抗腐蚀性能的影响。研究结果表明,Ag元素的添加缩短了Sn21.5Zn钎料的熔程,细化了显微组织;采用润湿平衡法测量结果发现,添加Ag元素提高了钎料对铝基体的最大润湿力Fmax,但使润湿时间t0增加;采用3%(质量分数)浓度盐水溶液浸泡焊点实验结果表明,添加Ag元素提高了钎焊接头的抗腐蚀性。

Sn2Zn钎料;铝软钎焊;润湿性;抗腐蚀性

铜具有良好的导电性、导热性、耐蚀性以及优良的力学性能,已广泛应用于各种工业领域,并且随着经济的迅速发展其需求量越来越大,但铜在自然界的蕴藏量并不多,开采和加工成本比较高。因此,长期以来人们一直希望在某些工业领域采用性能相近且蕴藏丰富的铝等轻金属来替代铜。铝及其合金具有密度小、质量轻、导热和导电性能良好(仅次于Ag,Cu,Au)、耐腐蚀性好、成本低等优点,无疑成为铜的最佳替代者。在汽车、舰船、航空航天、建筑等行业,铝及铝合金的应用已经非常广泛与成熟。此外,随着铜价格持续攀升,在电子封装领域以铝代铜也越来越受到关注。

添加元素Ag对Sn2Zn基钎料(尤其是Ag对Sn2 9Zn共晶钎料)钎焊铜的性能影响已有大量文献报道[1-5],但是关于在Sn2Zn亚共晶合金中添加元素Ag后对钎料钎焊铝性能影响的研究非常少见。本工作通过在Sn21.5Zn基合金中添加不同含量的Ag元素,研究了其对钎料的熔化特性、显微组织、润湿性以及钎焊接头的抗腐蚀性的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

本研究设计的无铅钎料标称成分如表1所示。熔炼钎料所用的原料为纯度为99.5%(质量分数,下同)的Sn块、99.99%的Ag粒和99.9%Zn粒。熔炼时,首先将共晶盐(KCl∶LiCl=1.3∶1)放在陶瓷坩埚锡炉中加热至熔化,然后将称量好的Sn,Ag,Zn依次加入熔盐中,钎料熔炼温度约为400℃±5℃,保温2h并每隔30min搅拌一次,最后浇铸成锡条备用。用于对比研究的Sn23.0Ag20.5Cu钎料由深圳亿铖达焊锡工业有限公司提供。

表1 实验用钎料成分及其简称(质量分数/%)Table 1 Composition of the solders and their abbreviations(mass fraction/%)

1.2 钎料熔化特性及显微组织

采用差示扫描量热仪(DSC,STA2409 PC)测量表1所列钎料的熔化特性。测试前,用精密天平称量钎料20 mg±0.1mg,然后用超声波清洗干净样品,以去除表面上的油脂和污物;测试时采用抽真空并充入氩气保护,升温范围为30～280℃,升温速率为5℃/min。

熔化特性测试后,将试样镶嵌在环氧树脂中制备金相样品;将金相样品打磨、抛光后采用5%盐酸甲醇溶液进行金相腐蚀10s,然后利用偏光显微镜(DM 2500P)对钎料组织进行观察。

1.3 润湿性评价

钎料的润湿性能测试参照日本工业标准[6],研究Ag含量以及温度对钎料润湿性能的影响。实验所用设备为日本Rhesca公司的SA T25100型可焊性测试仪,实验中采用规格为30mm×5mm×0.8mm的1060铝片。实验前首先将铝片在5.0%的NaOH溶液中清洗30s,以去除铝片表面的氧化膜,用清水冲洗后并置于5.0%的HNO3溶液中清洗30s。最后依次用清水及无水乙醇清洗,晾干备用。采用的助焊剂为自制铝软钎焊助焊剂,主要成分为羟乙基乙二胺、三乙醇胺、氟硼酸铵、氟硼酸锌、无水乙醇。

采用润湿时间t0及最大润湿力Fmax表征钎料的润湿性。实验中重复进行10次测量,以置信度为95%的平均值作为最终实验结果,实验参数见表2。

表2 可焊性实验参数Table 2 Parameters of wetting balance test

1.4 钎料抗腐蚀性评价

抗腐蚀实验中钎焊试样采用1060铝,其形状和尺寸如图1所示。抗腐蚀试样焊点设计长、宽、高尺寸为2mm×2mm×0.5mm,钎焊温度260℃。实验中采用将钎焊接头浸泡310%NaCl盐水中,然后置于30℃± 0110℃恒温箱中,每24h换一次相同初始浓度的盐水,以钎焊接头出现裂纹即判定其已失效。

图1 钎焊接头抗腐蚀试样及焊点示意图Fig.1 Schematic drawing and size of the solder joint for corrosion2resistance test

2 实验结果及分析

2.1 Ag对钎料熔化特性影响

图2为DSC测量出的Sn21.5Zn2x Ag钎料合金的熔化特性曲线;钎料的熔化区间数据见表3。显然,在Sn21.5Zn合金系上添加微量Ag元素使钎料的起始熔化温度提高,当Ag含量大于1.0%时,起始熔点提高到220℃;同时Ag含量的增加使钎料的熔程缩短。

图2 Sn21.5Zn2x Ag钎料熔化特性曲线Fig.2 DSC p rofiles of Sn21.5Zn2x Ag solders

Sn2Zn系合金具有共晶特征,如图3所示。值得注意的是,Sn21.5Zn钎料的DSC曲线在198～204℃区间出现一个明显的Sn2Zn共晶相熔化峰,当Ag含量为0.5%的钎料DSC曲线在198～201℃区间仍可见一个比较小的Sn2Zn共晶相熔化峰,而当Ag的含量为1.0%及以上时该峰消失。添加Ag元素后,Zn趋向于与Ag形成AgZn金属间化合物[7,8]而使Sn2Zn共晶相减少,从而使Sn2Zn共晶相熔化峰逐渐减弱甚至消失。

表3 Sn21.5Zn2x Ag钎料的熔化区间Table 3 Melting temperatures and melting point _____________ranges of Sn21.5Zn2x Ag solders

2.2 Ag对钎料显微组织影响

图3 Sn2Zn合金平衡相图[9]Fig.3 Phase diagram of Sn2Zn alloy[9]

图4为不同Ag含量的Sn21.5Zn2 x Ag钎料的微观组织照片。从图4可以看出,亚共晶Sn2Zn2x Ag钎料组织中并未发现针状的富Zn相,从Sn2Zn合金二元共晶相图(见图3)可以确定,Sn21.5Zn钎料组织由富Zn相固溶于β2Sn组成的Sn2Zn共晶相以及β2Sn相组成。Ag的含量从0增加到2.0%时,钎料的显微组织明显细化,即Ag对Sn2Zn钎料合金具有细化作用。添加微量合金元素Ag易与Zn形成AgZn金属间化合物[7,8]从而细化钎料组织。

图4 Sn21.5Zn2x Ag钎料的显微组织(a)Sn21.5Zn;(b)SZ20.5Ag;(c)SnZ21.0Ag;(d)SZ21.5Ag;(e)SZ22.0Ag;(f)SZ22.5AgFig.4 M icrostructures of Sn21.5Zn2x Ag solders (a)Sn21.5Zn;(b)SZ20.5Ag;(c)SZ21.0Ag;(d)SZ21.5Ag;(e)SZ22.0Ag;(f)SZ22.5Ag

2.3 Ag对钎料润湿性影响

图5和图6分别为不同温度下测得的钎料对铝基板的最大润湿力Fmax及润湿时间t0的实验结果。从图5及图6可以看出,钎料在铝基板上的润湿性能随实验温度提高而改善,表现为最大润湿力的增加以及润湿时间的缩短。当Ag含量从0.5%提高到2.5%时,钎料的最大润湿力增加,即添加Ag能提高钎料的最大润湿力;而Ag对钎料润湿时间t0的影响表现为当Ag含量为0%～1.5%时钎料润湿时间逐渐增加;而当Ag含量为2.0%时钎料润湿时间突然缩短。Sn2 115Zn22.0Ag钎料的最大润湿力略小于Sn21.5Zn2 215Ag钎料的最大润湿力,但其润湿时间明显小于Sn21.5Zn22.5Ag钎料润湿时间;因此,可以认为Ag含量为2.0%时钎料的对铝基板的润湿性最好。比较Sn21.5Zn2x Ag系钎料与Sn23.0Ag20.5Cu钎料的润湿性,发现Sn21.5Zn2x Ag系钎料的对铝基板的润湿性明显好于Sn23.0Ag20.5Cu钎料。

2.4 钎焊接头抗腐蚀性能

图7为不同Ag含量的Sn21.5Zn基钎料的钎焊接头在3.0%NaCl溶液中腐蚀寿命(天数)的比较。从图7可见,随着Ag含量增加,Sn21.5Zn2x Ag钎料钎焊接头的抗腐蚀性有所改善,但添加Ag并未能从根本上显著地提高Sn21.5Zn2x Ag钎料钎焊接头的抗腐蚀性。与Sn23.0Ag20.5Cu钎料钎焊的铝接头抗腐蚀性相比,Sn21.5Zn2x Ag钎料钎焊的铝接头的抗腐蚀性明显要差。钱乙余等[10]研究认为含Ag钎料钎焊时与铝基体界面形成Ag2A l化合物是使钎焊接头的抗腐蚀增加的主要原因,并应用键参数函数理论分析Ag2A l化合物形成机理。键参数函数理论认为,两金属原子间形成化合物的难易程度可利用键强度f来判断,f值越大,表明金属间的亲和力越大,因此越有利于形成化合物。

两金属原子间的键强度函数f可表达如下:

式中:Z/r为极化参数(电荷2半径比);Δx为键合参数(两元素的电负性差)。

图7 钎焊接头能承受的抗腐蚀寿命Fig.7 Corrosion time of the soldered joints

键强度f计算表明,Ag2A l之间化学亲和力(fAg2Al=7.995)要明显大于Ag2Zn(fAg2Zn=3.718)及Ag2Sn(fAg2Sn=2.403)之间化学亲和力,因此当A l, Sn,Zn同时存在时,Ag更易于A l形成化合物。钎焊时,Ag向A l表面扩散并发生化学选择吸附作用生成Ag2A l化合物,但由于钎焊时间短,致使界面Ag2A l化合物形成量有限从而使钎焊接头抗腐蚀性能提高不明显。

3 结论

(1)添加合金元素Ag能缩小Sn21.5Zn2x Ag系合B金钎料的熔程,同时细化钎料组织。

(2)随着Ag含量从0.5%增加到2.5%,Sn2 115Zn2x Ag钎料的最大润湿力Fmax不断增加;但添加Ag也导致润湿时间增大;Ag含量为2.0%时钎料的润湿性最好;Sn21.5Zn2x Ag钎料对铝基板的润湿性要明显好于Sn23.0Ag20.5Cu钎料。

(3)添加Ag元素能提高Sn21.5Zn2x Ag钎料钎焊铝接头的抗腐蚀性,但并不明显;Sn21.5Zn2x Ag钎料钎焊的铝接头的抗腐蚀性仍明显弱于Sn23.0Ag2 015Cu钎料钎焊的铝接头。

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Effect of Ag Addition on the Properties of Sn21.5Zn Based A lloys fo r Soldering A luminum

The influence of Ag addition on themelting characteristics,m icrostructures,w ettability and corrosion2resistance of the Sn21.5Zn based alloys for soldering aluminum was investigated.The exper2 imental results show that Ag addition in Sn21.5Zn based so lder alloys decreases the melting point range and refines themicrostructures;furthermore,the wetting balance test resultsmanifest that the addition of Ag into Sn21.5Zn increases the maximum wetting force(Fmax)of the solders,w hile in2 creasing the wetting time t0;finally,it has been show n that the joints soldered by the Ag2added Sn2 115Zn based alloys exhibit the increased co rrosion resistance in 3%(mass fraction)NaCl solution.

Sn2Zn solder;aluminum soldering;wettability;corrosion2resistance

TG454

A

100124381(2010)1020022205

广东省科技厅产学研项目(2008A 080403008);广东省科技厅粤港招标项目(2008A 092000007)

2010206220;

2010207217

刘亮岐(1984—),男,硕士,研究方向为电子封装材料及可靠性,联系地址:广州市天河区华南理工大学材料科学与工程学院(510640),E2mail:naruto14@163.com