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        基于田口法的Sn-Cu-Ni-x Eu無(wú)鉛釬料潤(rùn)濕性研究

        2015-03-29 04:00:14郭永環(huán)何成文
        關(guān)鍵詞:組份無(wú)鉛釬料

        張 亮,孫 磊,郭永環(huán),何成文

        (1.江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州221116;2.加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系,美國(guó)洛杉磯CA 90095)

        因?yàn)镻b的毒性[1],傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料逐漸被剔出工業(yè)界,取而代之的是無(wú)鉛釬料.目前Sn-Cu,Sn-Ag-Cu,Sn-Zn和Sn-Ag 4種釬料被諸多研究者廣為推薦[2],其中Sn-Cu系無(wú)鉛釬料因成本較低成為無(wú)鉛波峰焊中的主要互連材料[3],但是該系釬料的潤(rùn)濕性較低也成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn).為進(jìn)一步提高Sn-Cu系釬料的潤(rùn)濕性,諸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,釬料的流動(dòng)性和抗氧化得到顯著提高,同時(shí)可以避免“橋連”現(xiàn)象的產(chǎn)生,在Sn-Cu-Ni基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%~0.05%的Ce,釬料的潤(rùn)濕時(shí)間縮短20%~40%[4].稀土元素Nd也可以顯著改善Sn-Cu-Ni釬料的潤(rùn)濕性,當(dāng)稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí),潤(rùn)濕時(shí)間降低近20%[5].稀土元素被稱為金屬材料的“維他命”,即通過(guò)添加微量的稀土元素,金屬材料的性能會(huì)得到顯著的提高.由于稀土元素原子半徑大,在金屬材料合金化中,會(huì)起到良好的改性作用.因此通過(guò)添加微量稀土元素實(shí)現(xiàn)金屬材料合金化成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)鉛釬料改性的常規(guī)方法.在這一領(lǐng)域比較有代表性的單位為亞利桑那州立大學(xué)、喬治亞理工學(xué)院、臺(tái)灣大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和南京航空航天大學(xué).釬料合金化可以在一定程度上提高釬料的潤(rùn)濕性,但是合金化無(wú)疑提高了釬料的成本.影響釬料潤(rùn)濕性的因素除了釬料本身組份以外,還主要有釬劑、基板和氛圍.已有研究表明在Sn-Ag-Cu系釬料中,釬劑的影響較為顯著,選擇合適的釬劑可以顯著改善釬料的潤(rùn)濕性[6].釬料潤(rùn)濕性的4個(gè)主要影響因素中,其影響程度大小需要進(jìn)行探討和排序,所得結(jié)果可以為電子器件的焊接工藝提供數(shù)據(jù)支撐.

        文中擬采用田口法研究釬料組份、釬劑、基板和氛圍對(duì)Sn-Cu-Ni-x Eu釬料潤(rùn)濕性的影響,探討4個(gè)影響因素對(duì)潤(rùn)濕性影響的劇烈程度,同時(shí)分析稀土元素的影響機(jī)制.

        1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

        在本研究中,首先冶煉不同成分的 Sn-Eu,Sn-Cu和Sn-Ni中間合金,然后將其混合純Sn制備Sn-Cu-Ni,Sn-Cu-Ni-0.04Eu和Sn-Cu-Ni-0.10Eu 3種釬料.為防止在冶煉過(guò)程(550℃± 10℃)中氧化,選擇納米CeO2顆粒覆蓋在釬料表面.最后,將其制備成絲狀以備焊接之用.

        選擇0.2 g釬料在4 mm×4 mm×1 mm基板(Cu,SnBi/Cu和Au/Ni/Cu)表面進(jìn)行250℃加熱潤(rùn)濕;輔助釬劑有R,RM和RMA;加熱氛圍分別為空氣、氮?dú)夂驼婵?每個(gè)類型的潤(rùn)濕測(cè)試5個(gè)樣品,對(duì)樣品采用 Image軟件計(jì)算樣品表面釬料的潤(rùn)濕面積.

        2 結(jié)果與分析

        田口法(Taguchimethod)是一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法,通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量提高,田口法的核心分析工具是正交表和信噪比[7-9].可以通過(guò)對(duì)多個(gè)參數(shù)的分析,優(yōu)化參數(shù)組合,實(shí)現(xiàn)參數(shù)之間的最優(yōu)匹配.具體方程如式(1)所示:

        式中:r為測(cè)量的次數(shù);yi為第i次測(cè)量的數(shù)據(jù);S/N為信噪比,dB.

        在釬料潤(rùn)濕性測(cè)試中,每一類型的組合測(cè)試樣品5個(gè),因此r=5,根據(jù)“越小越好”的原則,選擇y=1/s,因此

        方程(1)可以表示為

        研究中主要考慮釬料組份、釬劑、基板和氛圍4個(gè)影響潤(rùn)濕性的因素,具體陣列表格如表1所示.

        表1 控制因子和水平

        釬料組份主要是采用Sn-Cu-Ni-x Eu系列釬料,通過(guò)對(duì)釬料的潤(rùn)濕性分析可以確定稀土元素的添加對(duì)釬料潤(rùn)濕性的影響.另外,電子工業(yè)中含稀土無(wú)鉛釬料的研究成為一個(gè)重要的研究課題,但是稀土元素的影響是否是眾多影響因素中影響程度最大的因素,這仍值得商榷,因此選擇含稀土無(wú)鉛釬料和釬劑、基板和氛圍進(jìn)行對(duì)比,確定潤(rùn)濕性的影響因素之間的排列順序,可以為無(wú)鉛釬料潤(rùn)濕性的研究提供理論參考.

        采用正交表L9(34)準(zhǔn)備試驗(yàn),具體配置陣列如表2所示,該方案僅需9次試驗(yàn)即可得到試驗(yàn)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)4個(gè)因素的綜合分析.相比較全因子試驗(yàn)需要81次,田口法的工作量明顯較少.通過(guò)對(duì)潤(rùn)濕面積的倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算,代入公式(2),可以得到表2中的信噪比S/N.最終計(jì)算結(jié)果的平均值為38.55 dB.

        表2 主要試驗(yàn)

        圖1和表3為不同組合S/N數(shù)據(jù).由數(shù)據(jù)可以看出,4個(gè)因素對(duì)釬料潤(rùn)濕性的影響從大到小依次為Factor B(釬劑),F(xiàn)actor D(氛圍),F(xiàn)actor A(釬料組份),F(xiàn)actor C(基板).釬劑是4個(gè)因素中對(duì)潤(rùn)濕性影響最為顯著的因素,進(jìn)一步說(shuō)明釬劑對(duì)釬料的潤(rùn)濕性起到顯著的改善作用.同時(shí)也印證了張啟運(yùn)[10]提出的改善釬料潤(rùn)濕性不能僅僅從釬料組份做起,而應(yīng)該通過(guò)選擇匹配的釬劑進(jìn)行促進(jìn)潤(rùn)濕性.通過(guò)對(duì)圖1進(jìn)行分析,可以得到提高釬料潤(rùn)濕性的最佳組合為A2B3C3D3,即Sn-Cu-Ni-0.04Eu釬料、RMA釬劑、Au/Ni/Cu基板和真空氛圍.

        圖1 信噪比平均效應(yīng)

        表3 信噪比效應(yīng)和排列

        另外,通過(guò)表3數(shù)據(jù)可以看出,其他條件相同的條件下,Sn-Cu-Ni,Sn-Cu-Ni-0.04Eu和Sn-Cu-Ni-0.10Eu 3種釬料的潤(rùn)濕性顯著不同,Sn- Cu-Ni-0.04Eu對(duì)應(yīng)的S/N數(shù)值最大,說(shuō)明Sn-Cu-Ni-0.04Eu對(duì)應(yīng)的潤(rùn)濕性最好,從而說(shuō)明稀土元素Eu可以顯著提高釬料的潤(rùn)濕性.這主要?dú)w因于微量的稀土元素與Sn反應(yīng),易于生成微小的稀土相顆粒,影響熔融釬料的三相平衡[11],從而提升釬料的潤(rùn)濕性.Sn-Cu-Ni-0.10Eu相對(duì)Sn-Cu-Ni-0.04Eu潤(rùn)濕性較低,但是仍高于Sn-Cu-Ni,主要是因?yàn)橄⊥猎靥砑舆^(guò)量時(shí),由于稀土元素極易氧化,在熔融釬料表面形成氧化渣,阻礙了釬料的潤(rùn)濕性.

        3 結(jié)論

        采用田口法研究釬料組份、釬劑、基板和氛圍4個(gè)因素對(duì)釬料潤(rùn)濕性的影響,從大到小依次為Factor B(釬劑),F(xiàn)actor D(氛圍),F(xiàn)actor A(釬料組份),F(xiàn)actor C(基板).釬劑對(duì)釬料的影響最大,另外稀土元素Eu的添加可以顯著提高釬料的潤(rùn)濕性.

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