張宇航，高瑞軍，孫福林，韓振峰，潘凱華，鐘茂山

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)日新月異的發(fā)展，電子產(chǎn)品的數(shù)量急劇增多，使銅的消耗量激增.為節(jié)約資源和降低成本，人們提出了鋁代替銅的方案.但在軟釬焊時發(fā)現(xiàn)，由于銅與鋁的物理及化學(xué)性能差異較大，而目前廣泛使用的無鉛焊料如 Sn－3.0Ag－0.5Cu和Sn－0.7Cu等只能與銅形成良好的潤濕結(jié)合，與鋁之間的互溶度較小，因此，這些焊料不能很好地對Cu－Al異種金屬進行釬焊.

筆者曾經(jīng)研制了一種適用于銅鋁異種金屬軟釬焊的無鉛合金焊料［1］，在Sn－0.7Cu二元合金中，加入與金屬鋁互溶度較大的Zn元素，這種三元合金系與鋁和銅均能形成良好的潤濕，當(dāng)Zn含量為1.0%時，焊料的綜合性能最好.近年來，國內(nèi)外開始大量研究稀土元素在無鉛焊料中的作用，研究表明［2－4］，在無鉛焊料中適量添加稀土元素可改善合金焊料的組織結(jié)構(gòu)和性能，并能獲得非常強的界面結(jié)合力.

本文以Sn－1.0Zn－0.7Cu為母合金，探討了添加微量Ce對該合金釬焊組織和性能的影響，以期尋求一種更適合銅鋁異種金屬軟釬焊的無鉛合金焊料.

1 試驗方法

1.1 熔煉焊料

熔煉合金焊料所選用的原材料分別是純度為99.99%的錫塊、鋅錠、無氧純銅片及稀土純鈰.在石墨坩堝電阻爐中進行熔煉，熔煉溫度控制在400～450℃之間，熔煉過程中采用熔鹽保護.將熔煉精煉好的合金在300～350℃之間澆注成所需的試樣，空冷至凝固待用，所配制的合金成分列于表1.

表1 無鉛合金焊料成分Table 1 The composition of lead－free solder alloy in the experiment

1.2 潤濕性實驗

按國家標(biāo)準(zhǔn) GB／T11364－2008《釬料潤濕性試驗方法》中的要求進行試驗.試件材料為純鋁板，試驗用合金焊料的成分如表1所列，每種焊料制成5個試樣，每個試樣約為0.3g.助焊劑選用廣州有色金屬研究院研制的AL－3型鋁焊劑.將制備好的合金焊料試樣置于鋁板中央，滴上助焊劑，在280℃下恒溫30s，使焊料熔化并在鋁板上鋪展開來，空冷.測量每種焊料的平均鋪展率，以此來評價其潤濕性.

鋪展的焊料高度用測微計或其他適當(dāng)?shù)墓ぞ邷y量，鋪展率根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T11364－2008《釬料潤濕性試驗方法》中的規(guī)定按式（1）計算：

式（1）中：SR——鋪展率，%；H——焊料在鋁板鋪展后的高度，mm；D——將試驗所用合金焊料看作球體時的直徑，mm，D＝1.24V1／3，V——試驗中使用的合金焊料的質(zhì)量／密度.

1.3 力學(xué)性能測試

常溫下采用標(biāo)距為25mm，標(biāo)距段直徑為5 mm的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，用拉伸試驗機測試樣品的力學(xué)性能，拉伸速率為2mm／min.

1.4 焊點界面金相顯微組織觀察

將做完鋪展性試驗的樣品從中間剖開，制作成金相試樣，對其進行焊點界面的顯微組織觀察.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 潤濕性能

釬料在母材表面的潤濕性和鋪展性主要由兩個過程決定：一是物理反應(yīng)過程，由楊氏方程及潤濕過程的熱力學(xué)分析可知，液相潤濕固相的粘著功為：WSL＝γL（1＋cosθ）［5］，其中，θ為液相表面與固相的接觸角，且0≤θ≤180°；γL為液相的表面張力，J／m2.只有當(dāng)WSL＞γL時，液相才能潤濕固相.在θ＜90°時，減小θ有助于增大WSL而利于液相潤濕固相.所以，熔融釬料的表面張力γL是影響釬料鋪展性的重要因素.另一個是冶金化學(xué)反應(yīng)過程.釬焊時釬料能否與母材金屬之間形成固溶體及金屬間化合物的趨勢和程度，是衡量釬料潤濕性的另一個重要因素.由于軟釬焊的焊接溫度較低，且焊料與母材金屬是在瞬間完成焊接的，因此，焊料與母材之間的冶金化學(xué)反應(yīng)較慢，且不能在短時間內(nèi)充分反應(yīng)，所以在軟釬焊過程中，冶金化學(xué)反應(yīng)過程對釬料潤濕性的影響較物理反應(yīng)過程要小一些.

在合金焊料中添加不同含量的稀土元素Ce對鋪展率的影響如圖1所示.從圖1中可以看到，隨著Ce含量的增加，焊料的鋪展率呈先升高后降低的變化趨勢.這主要是由于Ce為活性元素，容易在焊料界面處富集，進而降低界面自由能，減小熔融焊料的表面張力［7］，提高了焊料在Al板上的潤濕與鋪展.但是由于Ce很容易被氧化，過量的Ce又會增加熔融合金焊料的表面張力，反而會降低焊料的潤濕性.所以稀土元素Ce的加入量不能過多，由圖1可見，當(dāng)w（Ce）＝0.10%時，焊料的鋪展率最大，達到90%以上，完全滿足實際釬焊過程中焊料對Al母材的潤濕與鋪展的要求.

圖1 Ce含量與合金焊料在鋁基體上鋪展率的關(guān)系Fig.1 The relationship of Ce different content in lead－free alloy solder on spreading rate to Al－base

2.2 力學(xué)性能

在電子設(shè)備中，焊點不僅承擔(dān)著電子元器件與線路板之間的電氣連接，還承擔(dān)著電子元器件在基板上的機械支撐.因此，在實際使用中，無鉛焊料除應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性外，還必須具備較高的力學(xué)性能才能保證焊點具有長期可靠的機械支撐.在Sn－1.0Zn－0.7Cu焊料中添加不同含量的稀土元素Ce對焊料力學(xué)性能的影響如圖2所示.由圖2可見，隨著Ce含量的增加，焊料的拉伸強度和延伸率都呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢.由于稀土元素具有凈化、變質(zhì)和微合金化作用，因此，在焊料中添加稀土能改善焊料的力學(xué)性能.在Sn－1.0Zn－0.7Cu焊料中加入微量的表面活性元素Ce可降低焊料的晶體邊界應(yīng)變，預(yù)防空洞形核［8－9］，另外，由于稀土 Ce在凝固時可增加形核中心，達到細化晶粒的目的，因此，在合金焊料中加入Ce可提高焊料的拉伸強度和延伸率.但當(dāng)稀土的添加量過多，尤其是當(dāng)w（Ce）≥0.15%時，形成的大塊稀土相（硬脆相）Ce－Sn金屬間化合物，會嚴(yán)重地惡化焊料的力學(xué)性能；稀土的含量過多還會生成大量的稀土氧化物，這些氧化物顆粒在焊料處于熔融狀態(tài)時無法及時全部浮到焊料表面，焊料凝固后會在合金內(nèi)部形成夾雜等缺陷，影響了焊料的力學(xué)性能.因此，當(dāng)Ce的添加量超過0.10%時，合金焊料的拉伸強度和延伸率都明顯降低.

圖2 Ce含量與合金焊料拉伸強度和延伸率的關(guān)系Fig.2 The relationship of Ce different content in lead－free alloy solder on tensile strength and extensibility

2.3 時效后焊點界面處的組織

圖3為釬焊試驗各合金試樣在150℃下保溫120h后，在金相顯微鏡下所觀察到的在焊接界面處的微觀組織形態(tài)，界面之間的白色部分是釬焊中焊料與Al基板反應(yīng)形成的金屬間化合物（IMCs），它主要由Cu5（Zn，Sn）8及 Al－Zn固溶體等組成.從圖3中可以看出，經(jīng)過長時間時效后，隨著Ce含量的增加，界面處IMCs的厚度逐漸增加，說明過量的稀土元素Ce易在焊點／Al界面處形成大量的IMCs.研究表明［10］，由于IMCs屬于硬脆相，過厚的IMCs會導(dǎo)致焊點的斷裂韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點可靠性的下降，所以應(yīng)嚴(yán)格控制稀土元素Ce的加入量.當(dāng)w（Ce）≤0.10%時焊接界面的微觀組織形態(tài)較好，見圖3（b）.

圖3 時效后焊料／Al界面處的顯微組織（a）1號焊料；（b）2號焊料；（c）3號焊料；（d）4號焊料Fig.3 Microstructure of solder／Al interfaces after aging（a）sample 1；（b）sample 2；（c）sample 3；（d）sample 4

3 結(jié) 論

（1）在Sn－1.0Zn－0.7Cu合金焊料中添加稀土元素Ce，隨著Ce含量的增加，焊料的鋪展率、拉伸強度及延伸率都呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢.

（2）在150℃下保溫120h時效后，焊料／Al界面處的IMCs的厚度隨著Ce含量的增加而增加，IMCs過厚對焊點的可靠性極為不利.

（3）當(dāng)w（Ce）＝0.1%時，Sn－1.0Zn－0.7Cu合金焊料的綜合性能最佳.

［1］張宇航，戴賢斌，羅時中，等.適用于銅鋁異種金屬軟釬焊的無鉛焊料合金：中國，200710026378.9［P］.2008－12－03.

［2］CHEN W X，XUE S B，WANG H，et al.Effects of rare earth Ce on properties of Sn－9Zn lead－free solder［J］.Journal of Materials Science：Materials in electronics，2010，21（7）：719－725.

［3］胡玉華，薛松柏，陳文學(xué)，等.Sn－9Zn－xCe釬料顯微組織及釬焊性能的分析［J］.焊接學(xué)報，2010，31（6）：77－80.

［4］盧斌，栗慧，王娟輝，等.添加微量稀土元素對Sn－Ag－Cu系無鉛焊料性能的影響［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，2007，35（1）：27－30.

［5］黃培云.粉末冶金原理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1982：365.

［6］肖紀(jì)美.合金能量學(xué)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985：517.

［7］張亮，韓繼光，何成文，等.稀土元素對無鉛釬料組織和性能的影響［J］.中國有色金屬學(xué)報，2012，22（6）：1680－1696.

［8］WU C M L，YU D Q，LAW C M T，et al.Microstructure and mechanical properties of new lead－free Sn－Cu－RE solder alloys［J］.Journal of Electronic Materials，2002，31（9）：928－932.

［9］馮武峰，王春青，李明雨，等.電子元器件焊接中的釬料合金研制及設(shè)計方法［J］.電子工藝技術(shù)，2000，21（2）：47－52，59.

［10］梁建烈，謝世標(biāo)，唐軼媛.Sn－Zn基無鉛焊接材料的界面反應(yīng)和潤濕性能［J］.廣西民族大學(xué)學(xué)報，2007，13（2）：83－86.