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，美國洛杉磯CA 90095)

因為Pb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系無鉛釬料因成本較低成為無鉛波峰焊中的主要互連材料［3］，但是該系釬料的潤濕性較低也成為業(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，釬料的流動性和抗氧化得到顯著提高，同時可以避免“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，釬料的潤濕時間縮短20%～40%［4］.稀土元素Nd也可以顯著改善Sn－Cu－Ni釬料的潤濕性，當(dāng)稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時，潤濕時間降低近20%［5］.稀土元素被稱為金屬材料的“維他命”，即通過添加微量的稀土元素，金屬材料的性能會得到顯著的提高.由于稀土元素原子半徑大，在金屬材料合金化中，會起到良好的改性作用.因此通過添加微量稀土元素實現(xiàn)金屬材料合金化成為國內(nèi)外學(xué)者對無鉛釬料改性的常規(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濕性，但是合金化無疑提高了釬料的成本.影響釬料潤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濕性［6］.釬料潤濕性的4個主要影響因素中，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Sn－Cu－Ni－x Eu釬料潤濕性的影響，探討4個影響因素對潤濕性影響的劇烈程度，同時分析稀土元素的影響機(jī)制.

1 試驗材料與設(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?每個類型的潤濕測試5個樣品，對樣品采用 Image軟件計算樣品表面釬料的潤濕面積.

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，通過設(shè)計實現(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］.可以通過對多個參數(shù)的分析，優(yōu)化參數(shù)組合，實現(xiàn)參數(shù)之間的最優(yōu)匹配.具體方程如式(1)所示:

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

在釬料潤濕性測試中，每一類型的組合測試樣品5個，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個影響潤濕性的因素，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，通過對釬料的潤濕性分析可以確定稀土元素的添加對釬料潤濕性的影響.另外，電子工業(yè)中含稀土無鉛釬料的研究成為一個重要的研究課題，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，因此選擇含稀土無鉛釬料和釬劑、基板和氛圍進(jìn)行對比，確定潤濕性的影響因素之間的排列順序，可以為無鉛釬料潤濕性的研究提供理論參考.

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

表2 主要試驗

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個因素對釬料潤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個因素中對潤濕性影響最為顯著的因素，進(jìn)一步說明釬劑對釬料的潤濕性起到顯著的改善作用.同時也印證了張啟運(yùn)［10］提出的改善釬料潤濕性不能僅僅從釬料組份做起，而應(yīng)該通過選擇匹配的釬劑進(jìn)行促進(jìn)潤濕性.通過對圖1進(jìn)行分析，可以得到提高釬料潤濕性的最佳組合為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種釬料的潤濕性顯著不同，Sn－ Cu－Ni－0.04Eu對應(yīng)的S/N數(shù)值最大，說明Sn－Cu－Ni－0.04Eu對應(yīng)的潤濕性最好，從而說明稀土元素Eu可以顯著提高釬料的潤濕性.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］，從而提升釬料的潤濕性.Sn－Cu－Ni－0.10Eu相對Sn－Cu－Ni－0.04Eu潤濕性較低，但是仍高于Sn－Cu－Ni，主要是因為稀土元素添加過量時，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個因素對釬料潤濕性的影響，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濕性.

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