7-1 抗高溫蠕變的Sn-Cu基釬料合金
在眾多的錫基無(wú)鉛釬料合金體系中，Sn-Cu共晶系釬料由于不含銀，有著優(yōu)越的性?xún)r(jià)比。在國(guó)內(nèi)電子制造行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。該合金主要應(yīng)用于波峰焊、浸焊以及手工焊接等工藝。
焊接接頭的組織溫度性差是該釬料的主要缺點(diǎn)之一。這嚴(yán)重制約了其在高可靠性電子產(chǎn)品上的應(yīng)用。該合金的抗氧化性能較差是其另一個(gè)缺點(diǎn)，抗氧化性能差使得在波峰焊過(guò)程中液態(tài)釬料的出渣率增加，提高了成本。
針對(duì)該合金存在的上述問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的深入研究，采用微合金化的手段，通過(guò)添加Co、Ni、P等多種微量元素，大幅提高了Sn-Cu釬料合金組織，特別是焊接接頭界面組織的高溫穩(wěn)定性和釬料的抗氧化能力。
研究發(fā)現(xiàn)，Co和Ni可以有效改變釬料/銅基板界面化合物的形態(tài)。圖1（a）和（b）分別給出了傳統(tǒng)的Sn-Cu/Cu反應(yīng)界面和本專(zhuān)利合金SC-Co-Ni-（P）/Cu界面化合物形貌的顯著差別�？梢园l(fā)現(xiàn)，微量的Co、Ni可以使界面化合物從粗大的扇貝裝轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)的層狀結(jié)構(gòu)。盡管焊態(tài)下本專(zhuān)利合金所形成的化合物層有所增厚，但是由于界面層密實(shí)、平坦，焊接接頭在受外力作用時(shí)，界面處不容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此接頭的力學(xué)性能有所提高，特別是抗沖擊和抗震動(dòng)性能要優(yōu)于扇貝裝的界面結(jié)構(gòu)。
最新研究發(fā)現(xiàn)，這種層狀界面化合物還具有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，就是組織的高溫穩(wěn)定性要顯著優(yōu)于扇貝狀界面結(jié)構(gòu)，在高溫老化試驗(yàn)中，其增長(zhǎng)速度顯著低于扇貝狀的界面結(jié)構(gòu)。
更為重要的是，經(jīng)過(guò)對(duì)界面組織的顯微分析發(fā)現(xiàn)，密實(shí)的層狀化合物層還可以有效抑制Cu基板側(cè)Cu3Sn化合物的形成。圖2是兩種界面組織在經(jīng)過(guò)150度24小時(shí)時(shí)效后界面層的顯微組織結(jié)構(gòu)，可以看出，在扇貝狀界面層下已經(jīng)形成了一層連續(xù)的Cu3Sn化合物層，而在密實(shí)的層狀界面層下幾乎看不Cu3Sn層的出現(xiàn)。我們知道，Cu3Sn化合物的存在是由于在界面層處由于Sn與Cu原子擴(kuò)散速度不同所形成的，它的形成往往伴隨著Kenkidall 空洞的出現(xiàn)，這是造成接頭力學(xué)性能下降，特別是抗蠕變性能下降的主要原因。在扇貝狀界面層中，相鄰兩個(gè)扇貝狀Cu6Sn5化合物之間為Sn、Cu原子的擴(kuò)散提供了快速通道，因此Cu3Sn化合物層很容易形成；而在層狀界面層結(jié)構(gòu)中，切斷了這種快速擴(kuò)散通道，所以Cu3Sn化合物的形成速度大大降低。
圖3是Sn-0.7Cu和SC-Co-Ni-P合金釬接Cu接頭經(jīng)過(guò)150度24小時(shí)高溫時(shí)效后的蠕變性能測(cè)試結(jié)果�？梢钥闯�，本釬料合金的焊接接頭的抗蠕變性能增加了一倍以上。同時(shí)，該合金的潤(rùn)濕性能也有所提高，圖4是兩種合金在銅表面上的潤(rùn)濕性試驗(yàn)結(jié)果。 該合金不含Pb等禁用元素，也不含Ag等貴金屬材料，成本低廉，焊接工藝性能與Sn-0.7Cu釬料合金接近�？梢赃m用于各種電子產(chǎn)品的封裝，特別是對(duì)于需要在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期服役的電子產(chǎn)品來(lái)講，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。
該合金已經(jīng)申報(bào)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺?009100705088
