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分享:微量铬添加与快速凝固对Sn-9Zn合金钎料及 钎料/铜焊点界面特性的影响

2022-09-20 14:51:39 

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(重庆工业职业技术学,重庆 401120)

摘 要:通过真空熔炼制备Sn-9ZnSn-9Zn-0.1Cr(质量分数/%)合金钎料,并利用单辊法得 到快速凝固态Sn-9Zn-0.1Cr,湿耐腐蚀性能,以及钎料/(IMC)85 影响结果表明:添加质量分数0.1%铬能够抑制 Sn-9Zn,高合金钎料的最大润湿力并缩短润湿时间,/IMC 中的过度生长;快速凝固态Sn-9Zn-0.1Cr合金钎料中富锌相β-Sn,织更加细小均匀,耐腐蚀性能显著改善,但界面IMC层在85 长速熔炼 态合金钎料略有增大

关键词:Sn-9Zn-0.1Cr;;;

中图分类:TG454 :A 文章:1000-3738(2022)07-0023-04

0 引 言

Sn-Zn共晶合金钎料具有熔点较低(198 )、 成本低力学性能优良等优点,被认为是能够替代传 Sn-Pb 共 晶 合 金 钎 料 (熔 点 183 )的 一 种 材 [1-3],Sn-Zn湿,劣化等问题,其实际应用受到限制[1-5]合金化是改 Sn-Zn合金钎料性能的常用方法[1-3]表明:合金元素铬的微量添加能够提Sn-Zn钎料的高温抗氧化性能[6];Sn-9Zn合金钎料中添加质量分数0.1%,能够破坏合金钎料中粗大的 脆性富锌相并细化组织,提高焊点界面金属间化合 (IMC)的生长激活能,但铬加量较多所形成的 富铬脆性相对钎料性能不利[7-9]

快速凝固技术在非晶微晶合金制备中得到了 广泛应用;利用快速凝固技术制备亚稳态无铅合金 钎料的研究也已经开展,该技术能够显著改变合金 的微观结构,改善钎料特性[10]作者进行的前期研 [11]表明:添加质量分数0.1%Sn-9Zn料熔化特性的影响不明显,抑制IMC在钎焊过程中的过度生长并明显改善结合强度;速凝固态Sn-9Zn-0.1Cr(质量分数/%,下同)合金钎 料的熔点降低至189.5 ,钎料/铜焊点为均匀,结合性能提高显著目前,及快速凝固处理对 Sn-9Zn合金钎料耐腐蚀性能及 焊点界面IMC 生长动力学影响的研究尚不充分为此,作者研究了质量分数0.1%铬的添加和快速 凝固工艺对Sn-9Zn湿电化学腐蚀性能,85 / 铜焊点界面IMC生长动力学的影响

1 试样制备与试验方法

以纯度大于99.99%的纯金属为原料,按名义 成分(质量分数/%)分别为Sn-9ZnSn-9Zn-0.1Cr 进行配料ZG-0013× 10-2~6×10-2 Pa,气进,550~ 600 熔 炼 Sn-9Zn Sn-9Zn-0.1Cr 合 金 并 保 温 10min,浇注到预热150 (炼态)。通过2熔保使用Sn-9Zn-0.1Cr,态合金薄带,350mm,转速25r·s-1,冷速 约为106 K·s-1[12-13],所得薄带厚60μm

合金钎料经机械磨制抛光(用夹具夹 ),用由 3% HCl+5% HNO3 +92%CH3OH (体 积 分 数 ),分 别 使 TMV3203A 型 光 学 显 微 镜 (OM )VEGA3 TESCAN 型扫描电子显微镜(SEM)

采用 SAT-5100 型可焊性测试仪,GB/T 2423.32-2008分析合金钎料的最大润湿力与 润湿时间,测试温240,,此时的润湿特性与钎料态无关使用 CHI660D 料的动电位极化曲线,工作电,比电极为饱和甘汞电极(SCE),工作电极的工作面积为4mm2,502,3.5%NaClSn-9Zn,-1.4V, 终止电位为-0.2V,1mV·s-1

采用市售活化松香型(RMA)助焊剂,SX-12 型箱式电阻炉中进行钎焊试验,钎焊温度为240℃, 时间为3min在焊点界面处取样,经磨制抛光后, 3% HCl+5% HNO3+92%CH3OH(),VEGA3TESCAN ,OXFORDISIS300型能谱仪(EDS)进行界面成分 焊试85 时间(0~12h) 时效理后,[14]IMC,OriginIMC 层平均厚度 效时根进线

2

2.1

Sn-9Zn钎料中锌相为初,锌元 素的聚集导致形成粗大的棒状富锌相[6,11],如图1(a)所示;添加质量分数0.1%铬后,粗大的脆 性富锌相被破坏[7-8],熔炼态 Sn-9Zn-0.1Cr合金钎 料的的棒,1(b),Sn-9Zn- 0.1Cr合金 钎 料 中 初 生 相 的 形 成 和 ,锌相也难以在极短的凝固时间内大,因此 Sn-9Zn-0.1Cr,β-Sn,1(c), 多在0.5~2.0μm;组织为细

2.2 合金钎料的润湿性能

料对基板的润湿能力于钎靠性至关重要润湿和润湿间是湿;湿,湿,湿 Sn-9Zn Sn-9Zn-0.1Cr湿0.23, 0.34 mN,湿2.25,1.28sSn-9Zn- 0.1Cr湿力和较湿,富锌相在态合,Sn-9Zn 润湿,Sn-9Zn-0.1Cr的 最 大 润 湿 力 和 润 湿 时 间 接 近 于 市 购 Sn- 0.3Ag-0.7Cu合金(湿0.37mN,润湿时 间为0.97s),能够


2.3 合金钎料的耐腐蚀性能

由图 2 可 知,熔 炼 态 Sn-9Zn Sn-9Zn-0.1Cr 合金钎料的自腐蚀电 位 基 本 相 同,分 别 为 -0.97, -0.96V,快速凝固态 Sn-9Zn-0.1Cr合金钎料的自 腐蚀电位升高至-0.46V料腐蚀倾向,其值越大,, 添加质量分数0.1%的铬和快速凝固工艺可以显著 提高Sn-9Zn合金的耐腐蚀性能


合金钎料在电化学腐蚀过程中,形成的腐蚀电 池以锌相为阳极锡相为阴极;两种相在 Sn-9Zn金中的混合分布使得整个合金表面处于激活状态而 发生腐蚀由于 Sn-9Zn的含锡相的含量,因此阳极腐腐蚀量铬添加和快速凝固处理改善了合金钎料中的溶质 原子分布,细化了显微组织,并且使得富锌相的分布 更为均匀和弥散,因此合金的腐蚀更加均匀,腐蚀速 率明显下降,腐蚀性能得到改善


2.4 焊点界面IMC层生长动力学

在钎焊过 程 中,合 金 钎 料 与 铜 基 板 之 间 会 发生元素扩散,形成一定厚度的界面IMC,如图3 所示IMC 的 保 ,IMC,过度[15];,/ IMC的平线 [14,16]

IMC t线率为时效IMC 4可以看出:未 时 效 时 (时 效 时 间 为 0),熔 炼 态 Sn- 9ZnSn-9Zn-0.1Cr合金钎料和快速凝固态 Sn-9Zn- 0.1Cr金钎/IMC 的平次减小,0.1%以及固处理对界面IMC 层的生长具有抑制作用;,3种合金钎料/铜焊点界面IMC 均厚均随时效 时 间 延 长 而 增 大,熔 炼 Sn-9Zn-0.1Cr合金钎料/铜焊点界面IMC层的生长 速率均小于熔炼态 Sn-9Zn合金钎料/铜焊点界IMC,说明质量分数0.1%铬的添加能够抑IMC层在时中的,改善焊服役 的可靠性;合金,凝固处理能够明 显改善合金钎料/铜焊点界面IMC层的均匀性并提 高结合强度[11],但是在85 时效过程中快速凝固 Sn-9Zn-0.1Cr合金钎料/铜焊点界面IMC 生长速率略高于熔炼态 Sn-9Zn-0.1Cr合金钎料/焊点界面IMC

3 结 论

(1)质量分数0.1%铬的添加能够显著抑制Sn- 9Zn合金钎料中富锌相的聚集并细化共晶组织,高合金钎料的最大润湿力并缩短润湿时间(2)质量分数0.1%铬的添加能Sn-9Zn 合金耐腐蚀性能;快速凝固态Sn-9Zn-0.1Cr中的富锌相呈颗粒状,粒径在0.5~2.0μm,β-Sn,到改(3)0.1%Sn- 9Zn合金钎料/铜焊点界面 效过程中的过度生长,有利IMC善层焊的点生服长役以可及靠在性时; 快速凝固态合金钎料/铜焊点界面IMC 层在85 时效过程中的生长速率略有增大

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