賀 琴，任如桂，趙小平

（1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院神木校區(qū)，陜西 榆林 719300；2.神木縣職業(yè)技術(shù)教育中心，陜西 榆林 719300）

1 前言

21世紀(jì)以來(lái)，隨著電子工業(yè)持續(xù)高速的發(fā)展，電子設(shè)備功能越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，而工作環(huán)境日趨惡劣，人們對(duì)電子設(shè)備的可靠性要求越來(lái)越高[1~3]。釬焊技術(shù)在電子工業(yè)的整機(jī)裝聯(lián)技術(shù)中始終并將繼續(xù)居于主導(dǎo)地位[4,5]。

傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料成本低廉，在一般服役環(huán)境下有較高的可靠性，因此被廣泛應(yīng)用于電子封裝[6]。然而，長(zhǎng)期與鉛接觸對(duì)人體有很大的危害。電子行業(yè)的無(wú)鉛化進(jìn)程自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，經(jīng)過(guò)國(guó)家的立法與行業(yè)強(qiáng)制性禁令，已經(jīng)在世界電子工業(yè)行業(yè)制造與零部件供應(yīng)達(dá)成“無(wú)鉛化”共識(shí)。

但是，以SnAg、SnAgCu、SnZn、SnCu等為代表的無(wú)鉛釬料在綜合性能與經(jīng)濟(jì)性方面，同傳統(tǒng)的SnPb釬料仍然有不小的差距。SnAgCu釬料存在熔點(diǎn)偏高、潤(rùn)濕性較差等不足[7]。本文研究了Sb對(duì)SnAgCuGa釬料性能的影響。

2 試驗(yàn)材料、方法及設(shè)備

本文采用SnAg3.5Cu0.7Ga1為基本合金材料，在合金基礎(chǔ)上加入不同含量的Sb，加入量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。按照軟釬料常規(guī)制備方法進(jìn)行熔煉、澆注，分別制成如表1所示的合金。

表1 試驗(yàn)用釬料化學(xué)成分（wt %）

采用NETZSCH TG-DTA/ DSC型號(hào)同步熱分析儀測(cè)量SnAg3.5Cu0.7Ga1釬料的熔化溫度。

試驗(yàn)用40 mm×40 mm×1.5 mm的銅板作為試驗(yàn)基板，并用400號(hào)碳化硅砂紙進(jìn)行打磨，使其表面平整、光潔，然后用丙酮（或三氯乙烯）在超聲波清洗儀中清洗，去除表面的油污。試驗(yàn)在電阻式潤(rùn)濕性試驗(yàn)爐中進(jìn)行，溫度波動(dòng)控制在±5 ℃。將100 mg試驗(yàn)釬料放在鋁板表面的中心位置，在 240 ℃下保溫60 s。

通過(guò)TG328B分析天平測(cè)量氧化前后釬料質(zhì)量的變化；在80 ℃溫度、30 N/min受力條件下測(cè)量SnAgCuGa釬料的循環(huán)次數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 Sb對(duì)SnAgCuGa釬料熔化溫度的影響

試驗(yàn)中分別系統(tǒng)研究了含0%、0.5%、1%、1.5%、2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Sb對(duì)SnAg3.5Cu0.7Ga1熔點(diǎn)的影響。圖1是不同Sb含量的SnAg3.5Cu0.7Ga1釬料的固液相線曲線。

由圖中可以看出，隨著Sb含量的增加，釬料的固液相線呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但均低于230 ℃。這是由于與SnAg3.5Cu0.7Ga1的熔點(diǎn)（216 ℃）[8]相比，Sb的熔點(diǎn)較高（630.74 ℃），所以Sb的添加會(huì)使合金熔點(diǎn)升高。

3.2 Sb對(duì)SnAgCuGa釬料潤(rùn)濕性能的影響

圖2為240℃釬焊溫度、不同Sb含量在無(wú)鹵素松香助焊劑（高品質(zhì)的水白松香或氫化松香為基，以硬脂酸、乳酸和丙二酸等復(fù)配的有機(jī)酸為活化劑，并添加表面活性劑配制而成）下對(duì)SnAgCuGa合金在Cu板的潤(rùn)濕性影響的利用網(wǎng)格法的統(tǒng)計(jì)分析。由圖中可以看出，當(dāng)Sb含量添加0.5%時(shí)，SnAg3.5Cu0.7Ga1合金在240 ℃無(wú)鹵素松香助焊劑下潤(rùn)濕性變化不大，隨著Sb含量的增加，當(dāng)Sb含量達(dá)到1.0%以上時(shí)，SnAg3.5Cu0.7Ga1合金的潤(rùn)濕性隨著Sb含量的增加而提高。

圖1 Sb含量對(duì)SnAgCuGa熔化溫度的影響

圖2 Sb含量對(duì)SnAgCuGa潤(rùn)濕性能的影響

3.3 Sb對(duì)SnAgCuGa釬料抗氧化性能的影響

SnAgCuGa無(wú)鉛釬料的抗氧化性差是長(zhǎng)久困擾行業(yè)發(fā)展的問(wèn)題。錫釬料在液體狀態(tài)和高溫時(shí)氧化十分迅速，尤其在波峰爐中，很快會(huì)形成新的錫渣氧化物，錫渣的堆積會(huì)影響焊接質(zhì)量，還會(huì)造成錫的浪費(fèi)。因此，研究無(wú)鉛釬料的抗氧化性能顯得非常重要。

圖3為不同Sb含量對(duì)SnAgCuGa氧化性的影響。從圖中可以看出，隨著Sb含量的增加，生成的氧化物逐漸減少，但當(dāng)Sb含量為1.0%時(shí)，氧化物的減少速率明顯降低。添加少量的Sb可以提高SnAg3.5Cu0.7Ga1無(wú)鉛釬料的抗氧化性。

圖3 Sb含量對(duì)SnAgCuGa氧化性的影響

3.4 Sb對(duì)SnAgCuGa釬料釬焊接頭熱疲勞強(qiáng)度的影響

焊點(diǎn)熱疲勞失效主要是由于器件和基板的熱膨脹系數(shù)失配，使焊點(diǎn)在溫度變化時(shí)承受周期性的應(yīng)力作用導(dǎo)致塑性應(yīng)力積累而失效。元器件的耐用性主要取決于焊點(diǎn)的熱疲勞強(qiáng)度，因此，對(duì)接頭熱疲勞強(qiáng)度的研究十分重要。圖4為在80 ℃溫度、30 N/min受力條件下不同Sb含量對(duì)SnAgCuGa熱疲勞強(qiáng)度的影響。從圖中可以看出，隨著Sb含量的增加，產(chǎn)生裂紋時(shí)的循環(huán)次數(shù)依次增加。由此可知：SnAg3.5Cu0.7Ga1無(wú)鉛釬料中加入Sb元素，可以提高接頭的抗疲勞強(qiáng)度。

圖4 Sb含量對(duì)SnAgCuGa熱疲勞強(qiáng)度的影響

4 結(jié)論

（1）隨著Sb含量的增加，SnAg3.5Cu0.7Ga1釬料的固液相線呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但均低于230 ℃；

（2）當(dāng)Sb含量添加0.5%時(shí)，SnAg3.5Cu0.7Ga1合金在240℃無(wú)鹵素松香助焊劑下潤(rùn)濕性變化不大，隨著Sb含量的增加，SnAg3.5Cu0.7Ga1金的潤(rùn)濕性隨著Sb含量的增加而提高；

（3）隨著Sb含量的增加，生成的氧化物逐漸減少，但速率明顯降低。添加少量的Sb可以提高SnAg3.5Cu0.7Ga1無(wú)鉛釬料的抗氧化性；

（4）SnAg3.5Cu0.7Ga1無(wú)鉛釬料中加入Sb元素，可以提高接頭的抗疲勞強(qiáng)度。

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