张 亮，孙 磊，郭永环，何成文

(1.江苏师范大学机电工程学院，江苏徐州221116;2.加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系，美国洛杉矶CA 90095)

因为Pb的毒性［1］，传统的Sn－Pb钎料逐渐被剔出工业界，取而代之的是无铅钎料.目前Sn－Cu，Sn－Ag－Cu，Sn－Zn和Sn－Ag 4种钎料被诸多研究者广为推荐［2］，其中Sn－Cu系无铅钎料因成本较低成为无铅波峰焊中的主要互连材料［3］，但是该系钎料的润湿性较低也成为业界关注的焦点.为进一步提高Sn－Cu系钎料的润湿性，诸多研究者提出采取合金化的方法.在Sn－Cu中添加微量Ni元素，钎料的流动性和抗氧化得到显著提高，同时可以避免“桥连”现象的产生，在Sn－Cu－Ni基础上添加质量分数为0.03%～0.05%的Ce，钎料的润湿时间缩短20%～40%［4］.稀土元素Nd也可以显著改善Sn－Cu－Ni钎料的润湿性，当稀土元素质量分数为0.05%时，润湿时间降低近20%［5］.稀土元素被称为金属材料的“维他命”，即通过添加微量的稀土元素，金属材料的性能会得到显著的提高.由于稀土元素原子半径大，在金属材料合金化中，会起到良好的改性作用.因此通过添加微量稀土元素实现金属材料合金化成为国内外学者对无铅钎料改性的常规方法.在这一领域比较有代表性的单位为亚利桑那州立大学、乔治亚理工学院、台湾大学、北京工业大学和南京航空航天大学.钎料合金化可以在一定程度上提高钎料的润湿性，但是合金化无疑提高了钎料的成本.影响钎料润湿性的因素除了钎料本身组份以外，还主要有钎剂、基板和氛围.已有研究表明在Sn－Ag－Cu系钎料中，钎剂的影响较为显著，选择合适的钎剂可以显著改善钎料的润湿性［6］.钎料润湿性的4个主要影响因素中，其影响程度大小需要进行探讨和排序，所得结果可以为电子器件的焊接工艺提供数据支撑.

文中拟采用田口法研究钎料组份、钎剂、基板和氛围对Sn－Cu－Ni－x Eu钎料润湿性的影响，探讨4个影响因素对润湿性影响的剧烈程度，同时分析稀土元素的影响机制.

1 试验材料与设备

在本研究中，首先冶炼不同成分的 Sn－Eu，Sn－Cu和Sn－Ni中间合金，然后将其混合纯Sn制备Sn－Cu－Ni，Sn－Cu－Ni－0.04Eu和Sn－Cu－Ni－0.10Eu 3种钎料.为防止在冶炼过程(550℃± 10℃)中氧化，选择纳米CeO2颗粒覆盖在钎料表面.最后，将其制备成丝状以备焊接之用.

选择0.2 g钎料在4 mm×4 mm×1 mm基板(Cu，SnBi/Cu和Au/Ni/Cu)表面进行250℃加热润湿;辅助钎剂有R，RM和RMA;加热氛围分别为空气、氮气和真空.每个类型的润湿测试5个样品，对样品采用 Image软件计算样品表面钎料的润湿面积.

2 结果与分析

田口法(Taguchimethod)是一种低成本、高效益的质量工程方法，通过设计实现产品的质量提高，田口法的核心分析工具是正交表和信噪比［7－9］.可以通过对多个参数的分析，优化参数组合，实现参数之间的最优匹配.具体方程如式(1)所示:

式中:r为测量的次数;yi为第i次测量的数据;S/N为信噪比，dB.

在钎料润湿性测试中，每一类型的组合测试样品5个，因此r=5，根据“越小越好”的原则，选择y=1/s，因此

方程(1)可以表示为

研究中主要考虑钎料组份、钎剂、基板和氛围4个影响润湿性的因素，具体阵列表格如表1所示.

表1 控制因子和水平

钎料组份主要是采用Sn－Cu－Ni－x Eu系列钎料，通过对钎料的润湿性分析可以确定稀土元素的添加对钎料润湿性的影响.另外，电子工业中含稀土无铅钎料的研究成为一个重要的研究课题，但是稀土元素的影响是否是众多影响因素中影响程度最大的因素，这仍值得商榷，因此选择含稀土无铅钎料和钎剂、基板和氛围进行对比，确定润湿性的影响因素之间的排列顺序，可以为无铅钎料润湿性的研究提供理论参考.

采用正交表L9(34)准备试验，具体配置阵列如表2所示，该方案仅需9次试验即可得到试验结果，实现4个因素的综合分析.相比较全因子试验需要81次，田口法的工作量明显较少.通过对润湿面积的倒数进行计算，代入公式(2)，可以得到表2中的信噪比S/N.最终计算结果的平均值为38.55 dB.

表2 主要试验

图1和表3为不同组合S/N数据.由数据可以看出，4个因素对钎料润湿性的影响从大到小依次为Factor B(钎剂)，Factor D(氛围)，Factor A(钎料组份)，Factor C(基板).钎剂是4个因素中对润湿性影响最为显著的因素，进一步说明钎剂对钎料的润湿性起到显著的改善作用.同时也印证了张启运［10］提出的改善钎料润湿性不能仅仅从钎料组份做起，而应该通过选择匹配的钎剂进行促进润湿性.通过对图1进行分析，可以得到提高钎料润湿性的最佳组合为A2B3C3D3，即Sn－Cu－Ni－0.04Eu钎料、RMA钎剂、Au/Ni/Cu基板和真空氛围.

图1 信噪比平均效应

表3 信噪比效应和排列

另外，通过表3数据可以看出，其他条件相同的条件下，Sn－Cu－Ni，Sn－Cu－Ni－0.04Eu和Sn－Cu－Ni－0.10Eu 3种钎料的润湿性显著不同，Sn－ Cu－Ni－0.04Eu对应的S/N数值最大，说明Sn－Cu－Ni－0.04Eu对应的润湿性最好，从而说明稀土元素Eu可以显著提高钎料的润湿性.这主要归因于微量的稀土元素与Sn反应，易于生成微小的稀土相颗粒，影响熔融钎料的三相平衡［11］，从而提升钎料的润湿性.Sn－Cu－Ni－0.10Eu相对Sn－Cu－Ni－0.04Eu润湿性较低，但是仍高于Sn－Cu－Ni，主要是因为稀土元素添加过量时，由于稀土元素极易氧化，在熔融钎料表面形成氧化渣，阻碍了钎料的润湿性.

3 结论

采用田口法研究钎料组份、钎剂、基板和氛围4个因素对钎料润湿性的影响，从大到小依次为Factor B(钎剂)，Factor D(氛围)，Factor A(钎料组份)，Factor C(基板).钎剂对钎料的影响最大，另外稀土元素Eu的添加可以显著提高钎料的润湿性.

References)

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