Sn-Bi-Zn-Ag系无铅焊料及其连接界面组织分析

摘要

目前,产业化所应用的Sn-Ag系无铅焊料具有较高的Ag含量,成本较高,不利于生产。为了降低焊料的成本,本文以性能优越的Sn-3.7Ag-0.9Zn(重量百分比,后同)共晶合金为基础,降低 Ag的含量至0.3％,并加入Bi为第四组元,形成了Sn-Bi-Zn-Ag无铅焊料体系。首先,通过对Bi含量的调整及冷却速率的改变,系统研究了以上因素对Sn-Bi-Zn-Ag焊料合金组织形成过程的影响；其次,分析以上各个因素对Sn-Bi-Zn-Ag焊料合金性能的影响,并阐述了强化机理和断裂机制；然后,结合焊接温度和焊接时间的改变,对Sn-Bi-Zn-Ag／Cu连接界面的金属间化合物层的生长与形成过程进行了系统研究；最后,探讨了镀Ni层对界面金属间化合物层形成的影响,以及高温时效后,界面金属间化合物层的演变规律。研究所得结果如下:
　　 在缓慢冷却条件下,Sn-xBi-0.9Zn-0.3Ag(x=1、2、3和4)焊料合金的组织由β-Sn相,AgZn3相、富 Zn相和Bi的富集区(当Bi的含量达到2％时)组成。其中,富Zn相和Bi富集区的共同存在导致了合金低温局部熔化现象。冷却速度的提高能有效抑制富Zn相和Bi富集区的形成,从而抑制了局部熔化现象。经过150℃高温时效,Bi富集区将变得稀疏,Bi颗粒将在降低系统自由能的驱动下,分布于晶界处。
　　 随着Bi含量的升高和冷却速度的增大,Sn-Bi-Zn-Ag焊料合金的显微硬度提高,因为是Bi起到了固溶强化和沉淀强化的作用,而快速凝固细化了晶粒,起到细晶强化的作用。不过,Bi的固溶和组织的细化会使电子散射几率增大,导致焊料合金的电导率下降。Bi能提高焊料合金的拉伸强度,但同时也增大了合金的脆性,使合金由韧性断裂向脆性断裂转变。
　　 Sn-Bi-Zn-Ag／Cu界面出现了金属间化合物分层和脱离的现象,靠近焊料的一层为CuZn相,与Cu基板相连的为Cu6Sn5相,Bi含量的提高能抑制此现象的发生。同时,镀Ni层也对分层现象起到了抑制作用,连接界面只生成了一层复杂的Sn-Ni-Zn-Cu相。经过150℃高温时效,所有的界面金属间化合物层都经历了先长大后分解的过程,这与金属间化合物层内部存在的应力有关。一般来说,Bi和镀Ni层能降低扩散系数,阻止界面层的长大。但当Bi的含量较高时,由于存在局部溶化现象,焊料合金与Ni／Cu基板的扩散系数反而增大。