高瑞軍，張宇航，康 宇，韓振峰，孫福林，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

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合金元素Ag含量對Sn-Ag-Cu無鉛焊料焊接性能的影響

高瑞軍，張宇航，康 宇，韓振峰，孫福林，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

探討了合金元素Ag含量對Sn-Ag-Cu無鉛合金焊料熔化溫度、鋪展性及潤濕性的影響.結(jié)果表明，隨著Ag含量的增加，Sn-Ag-Cu合金焊料的熔化溫度降低，鋪展性和潤濕性提高，當(dāng)w(Ag)≤0.5%時(shí)，Sn-0.7Cu焊料與Sn-0.5Ag-0.5Cu焊料的焊接性能十分接近.

無鉛焊料；熔化溫度；鋪展；潤濕

Sn-Ag-Cu系合金因具有良好的綜合性能，而被認(rèn)為是最具有潛力和最接近實(shí)用化的焊料合金體系之一[1-2].但是在焊料中添加貴金屬Ag，會導(dǎo)致材料成本大幅增加，對焊料需求企業(yè)來講成本控制和無鉛環(huán)保同樣重要.作為電子行業(yè)軟釬料最早研究和開發(fā)的單位廣州有色金屬研究院[3-5]，在保證焊料合金性能符合要求的前提下，開發(fā)出一系列Ag含量不同的Sn-Ag-Cu系無鉛合金焊料，旨在滿足不同應(yīng)用企業(yè)對成本控制的要求.

本文選取目前常用于電子行業(yè)浸焊和波峰焊的Sn-Ag-Cu無鉛合金焊料，與Sn-0.7Cu二元共晶合金焊料進(jìn)行對比，探討Ag含量對Sn-Ag-Cu無鉛焊料焊接性能的影響，為企業(yè)選擇合適性價(jià)比的焊料提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

1.1 熔煉焊料

熔煉合金焊料所用的原材料分別是純度99.99%的錫塊、銀粒和無氧純銅片，為了改善合金焊料的性能添加微量合金化元素X.在石墨坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，熔煉過程中采用熔鹽保護(hù)，熔煉溫度控制在400～450 ℃.精煉好的合金在300～350 ℃澆注成所需的試樣，空冷至凝固，待用.所配制的不同Ag含量的合金焊料成分及其編號列于表1.

表1 無鉛合金焊料成分

Table 1 The chemical composition of lead-free solder alloy in the experiment

焊料編號成分w/%AgCuSn+X100.7余量20.50.7余量31.50.7余量43.00.7余量

1.2 熔化溫度的測定

采用STA409PC差示掃描量熱儀(DSC)測定合金焊料的熔化溫度.均勻截取焊料約20 mg，升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為30～280 ℃，試驗(yàn)中采用高純氬氣保護(hù).

1.3 鋪展性

按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11364-2008《釬料潤濕性試驗(yàn)方法》中的要求進(jìn)行鋪展性試驗(yàn).試件為純銅板，試驗(yàn)用合金焊料的成分如表1所列.每種焊料制成5個(gè)試樣，每個(gè)試樣約為0.3 g.助焊劑為廣州有色金屬研究院研制的無鉛助焊劑NC526.將制備好的合金焊料試樣置于銅板中央，滴上助焊劑，在280 ℃下恒溫30 s，使焊料熔化并在銅板上鋪展開，空冷.測量每種焊料的平均鋪展率，以此來評價(jià)其鋪展性.

鋪展的焊料高度用測微計(jì)或其他適當(dāng)?shù)墓ぞ邷y量，根據(jù)國標(biāo)GB/T11364-2008《釬料潤濕性試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，按式(1)計(jì)算鋪展率：

(1)

式(1)中：SR—鋪展率，%；H—焊料在銅板鋪展后的高度，mm；D—將試驗(yàn)所用合金焊料看作球體時(shí)的直徑，mm，D=1.24V1/3，V—試驗(yàn)中使用的合金焊料的質(zhì)量/密度，mm3.

1.4 潤濕性

按日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS-Z-3198(無鉛釬料試驗(yàn)方法)測量潤濕時(shí)間和潤濕力.將長方形銅片以設(shè)定的速度插入到250 ℃熔融焊料槽中，當(dāng)插入深度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，試樣靜置一定時(shí)間后向上提起，測試完成.測量過程中，當(dāng)試樣端部與釬料接觸并繼續(xù)插入時(shí)，試樣會受到浮力作用，隨著焊料對母材的逐漸潤濕，浮力逐漸被表面張力抵消，當(dāng)合力為零時(shí)，記錄的時(shí)間稱為零交時(shí)間T0.隨著測試的進(jìn)行，合力值增大，當(dāng)合力不再隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，此刻的潤濕力為最大潤濕力Fmax，設(shè)在最大潤濕力Fmax2/3處的時(shí)間為爬升時(shí)間T1.

選用廣州有色金屬研究院研制的無鉛環(huán)保助焊劑NC526進(jìn)行潤濕性實(shí)驗(yàn).測量過程如圖1所示.

圖1 潤濕性測試過程示意圖Fig.1 The sketch of testing solder on wetting to Cu-base alloy

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔化溫度

在相同的焊接溫度下，合金焊料的熔化溫度越低，其鋪展性越好.換言之，合金焊料的熔點(diǎn)越低，焊接工藝參數(shù)越寬.對1～4號合金焊料分別測其固相線溫度Ts和液相線溫度Tl，計(jì)算其熔化溫度范圍ΔT=Tl-Ts，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2.

表2 試驗(yàn)合金焊料的熔化溫度

由表2可知，在無鉛合金Sn-0.7Cu焊料中加入Ag后，其Ts和Tl都低于Sn-0.7Cu焊料的Ts和Tl.隨著Ag含量增加，Sn-Ag-Cu合金焊料的固相線Ts和液相線Tl呈現(xiàn)出下降的趨勢.當(dāng)w(Ag)=3.0%時(shí)，焊料的熔化溫度范圍ΔT為4.6 ℃，與Sn-0.7Cu合金焊料的ΔT接近.

2.2 鋪展性

合金焊料與母材金屬接觸時(shí)，焊料能否沿母材表面鋪展，取決于焊料對母材表面的附著力和焊料粒子間的內(nèi)聚力.當(dāng)焊料對基體金屬(母材)的附著力大于焊料的內(nèi)聚力時(shí)，焊料就會在基體金屬表面鋪展開.此時(shí)，倘若焊料合金與母材金屬發(fā)生輕微的冶金物理反應(yīng)，可促使合金焊料在母材表面的鋪展，同時(shí)也能大大提高焊點(diǎn)的可靠性.但如果合金焊料與母材的反應(yīng)較劇烈時(shí)，會使焊縫界面的金屬間化合物增多，不利于焊料在母材上的鋪展[6].

焊接時(shí)一旦合金焊料在Cu母材表面鋪展，界面處就會有金屬間化合物Cu6Sn5生成，這時(shí)界面反應(yīng)就成為部分熔融的合金焊料與Cu6Sn5作用[7].隨著時(shí)間延長，界面處不僅會迅速生成過量的Cu6Sn5，甚至還會生成脆性相Cu3Sn，此時(shí)熔融焊料還會與Cu3Sn作用.焊料對Cu的鋪展性好，對金屬間化合物Cu6Sn5的鋪展性差，而對Cu3Sn不潤濕鋪展[7].合金焊料中的Ag元素在焊接時(shí)會與Sn生成金屬間化合物Ag3Sn，熔融狀態(tài)的Ag3Sn粒子以一定的速率隨機(jī)運(yùn)動(dòng).在界面附近的Ag3Sn粒子由于熱運(yùn)動(dòng)而撞擊界面，由于界面具有較高的界面能，通過吸附作用，這些粒子被界面俘獲，界面能也隨之降低[8].這些Ag3Sn粒子的存在將會抑制金屬間化合物Cu3Sn和Cu6Sn5的過度生成，所以在焊料中加入Ag，會提高合金焊料對Cu母材的鋪展性.

在Sn-0.7Cu合金焊料中添加Ag對鋪展率的影響如圖1所示，不同Ag含量焊料在銅板上的鋪展如圖2所示.由圖1、圖2可知，隨著Ag含量的增加，焊料的鋪展率逐漸提高，鋪展的面積逐漸增大.

其中Sn-0.7Cu的鋪展性與Sn-0.5Ag-0.5Cu十分接近，說明當(dāng)w(Ag)≤0.5%時(shí)，Ag元素對合金焊料鋪展性的改善效果并不明顯.這給用戶選擇合適性價(jià)比的焊料時(shí)可提供參考.

圖2 Ag含量與合金焊料在銅基體上鋪展率的關(guān)系Fig.2 The relationship of Ag addition in lead-free alloy solder on spreading rate to Cu-base alloy

圖3 Ag含量不同的合金焊料在銅板上的鋪展Fig.3 The macrograph of soldering point on alloy to Cu-base alloy

2.3 潤濕性

參考日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JEITAET-7401(表3)對潤濕實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評定.評定參數(shù)有零交時(shí)間T0、潤濕時(shí)間T=(T0+T1)和最大潤濕力Fmax，其中Sb是衡量試驗(yàn)穩(wěn)定性的指標(biāo)，這里不做分析討論.

表3 日本工業(yè)化JEITA ET-7401潤濕性標(biāo)準(zhǔn)

Ag含量對合金焊料潤濕性的影響如圖4所示.由圖4可知，不加Ag的Sn-0.7Cu焊料的最大潤濕力最小，F(xiàn)max=3.91mN，零交時(shí)間最大，T0=0.98s,爬升時(shí)間最大，T1=0.53s，符合日本工業(yè)化JEITAET-7401潤濕性標(biāo)準(zhǔn).隨著Ag含量增加，合金焊料的零交時(shí)間T0和潤濕時(shí)間T逐漸縮短，最大潤濕力Fmax逐漸增大.零交時(shí)間T0越短，尤其是針對線路板的焊盤，焊接時(shí)焊料潤濕越快完成.爬升時(shí)間T1越短，波峰焊通孔焊接時(shí)焊料爬升并填滿整個(gè)通孔就越快.最大潤濕力Fmax越大，波峰焊通孔焊接中的沾錫量越多，形成的外露焊點(diǎn)越飽滿.

圖4 Ag含量與合金焊料在銅基體上潤濕性的關(guān)系Fig.4 The relationship of Ag addition in lead-free alloy solder on wettability rate to Cu-base alloy

從圖4中也可看到，Sn-0.7Cu的潤濕行為與Sn-0.5Ag-0.5Cu十分接近，說明當(dāng)w(Ag)≤0.5%時(shí)，兩種合金焊料的潤濕性相差無幾.這也為在實(shí)際生產(chǎn)中，選擇不同焊料制定不同的工藝參數(shù)提供依據(jù).

3 結(jié) 論

隨著Sn-Ag-Cu合金焊料中Ag含量增加，焊料的熔化溫度降低，焊料的鋪展率提高，潤濕時(shí)間逐漸縮短，最大潤濕力逐漸增大.當(dāng)w(Ag)=3.0%時(shí)，焊料的融化溫度范圍與Sn-0.7Cu合金焊料的接近；當(dāng)w(Ag)≤0.5%時(shí)，Sn-0.7Cu與Sn-0.5Ag-

0.5Cu兩種合金焊料的焊接性能十分接近.這為用戶選擇合適性價(jià)比的合金焊料提供了依據(jù).

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Effect of Ag concentration on soldering properties of Sn-Ag-Cu lead-free solder alloy

GAO Ruijun，ZHANG Yuhang，KANG Yu，HAN Zhenfeng，SUN Fulin，ZHONG Maoshan

GuangzhouResearchInstituteofNon-ferrousMetals，Guangzhou510650，China

The paper has investigated that different amount of pure Ag are added into Sn-Ag-Cu lead-free solders，and the effect on soldering properties was also discussed.The results show that Ag can improve spreadability and wettability of Cu alloy further.When 0.5% of Ag added，both Sn-0.7Cu and Sn-0.5Ag-0.5Cu solder alloys exhibited similar properties.

lead-free solder；melting point；spreadability；wettability

2015-04-23

高瑞軍(1976-)，男，河北張家口人，本科.

1673-9981(2015)02-0112-04

TG11

A