GaAl对Sn-Zn钎料耐蚀及高温抗氧化性能的影响.DOC

Ga、Al对Sn-Zn钎料耐蚀及高温抗氧化性能的影响 王 慧，薛松柏，陈文学 (南京航空航天大学，南京 210016摘要：采用蚀失重法研究Ga、Al对Sn-9Zn钎料在3.5%NaCl水溶液中耐腐蚀性的影响。结果表明，添加Ga元素后，腐蚀产物的粘附性提高，均匀覆盖在钎料表面上，提高了钎料的耐蚀性能；添加Al以后，Zn和Al被选择性腐蚀，腐蚀随着Al含量的增加而加剧。采用热重分析(TGA)和俄歇电子能谱(AES)研究Ga、Al对Sn-9Zn钎料高温抗氧化性的影响结果表明，Ga可在钎料表面形成一层集肤层；Al可在钎料表面形成一层致密的氧化膜，两者均可阻挡空气中的氧向钎料内部扩散，从而大大改善钎料的高温抗氧化性。 关键词：Ga；Al；Sn-Zn；耐腐蚀性；高温抗氧化性 中图分类号：TG425 文献标识码：A 文章编号： 随着世界范围内电子行业无铅化程的全面启动，无铅钎料研发成为材料研究领域一个活跃的新方向。 目前，应用广泛的Sn-Ag-Cu钎料成本偏高，而Sn-Cu钎料则由于熔化温度较高给生产带来困难。，Sn-Zn系无铅钎料其原材料来源广泛、价格成本低，具有比Sn-Pb钎料更高的焊点抗剪强度，室温下具有比Sn-Pb更好的抗疲劳性能，电迁移效应也优于Sn-Pb钎料[1]。这些优点使得Sn-Zn钎料在民用电子行业乃至航空航天用电子设备制造领域都有广泛的应用前景。但是Sn-Zn钎料润湿性、耐腐蚀及高温抗氧化性能的不足却成制约其推广应用的最大障碍近年来有不少报道称在Sn-Zn钎料中加入适量的Ga、Al可明显改善其润湿性能[24]。而添加Ga、Al后对其耐腐蚀及高温抗氧化性能的影响还有进一步研究。 1验 验采用Sn-9Zn钎料为母合金中间合金的形式为了避免氧化在较低温度下(250 ℃)熔炼，熔炼过程氮气保护下进行，确保合金成分的准确性验所采用合金成分如表1所示。蚀失重试验参照机械行业标准JB/T 7901-2001《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》采用腐蚀速率作为指标，腐蚀速率越小，合金的耐腐蚀性能越好。试验采用的蚀溶液为3.5%NaCl水溶液，蚀时间为15，每5更换一次溶液，整个蚀过程在室温下进行。 热重分析试验采用Pyris TGA热重分析仪进行该仪器所带热天平灵敏度为0.1 μg。试验分别称取20 mg左右的Sn-9Zn、Sn-9Zn-0.5Ga和Sn-Zn-0.005Al合金，在250 ℃下恒温氧化观察试样的增重情况（钎料的熔点为198 ℃左右）。试验采用氧化铝坩埚，气氛为空气。 采用PHI 550 ESCA/SAM电子能谱仪对Sn-9Zn-0.5Ga和Sn-Zn-0.005Al钎料的表面成分进行分析，观察钎料表面的氧化状况及合金元素的分布试验前先将钎料在250 ℃下放置2使其表面氧化、并使合金元素在钎料表面重新自由分布。试验采用 Ar+对试样进行刻蚀，刻蚀速率为0.5 nm/min(以Ta2O5为参考标准)。2 结果和分析 2.1 Ga对钎料耐蚀性能的影响 图1为不同Ga含量的钎料在3.5%NaCl溶液中腐蚀速率比较从图中可以看出，Sn-Zn钎料合金中加表1 验钎料的成分Table 1 Composition of solder alloys (ω/%) Ga dosage 0 0.1 0.5 1.0 2.0 Al dosage 0 0.002 0.005 0.02 0.1 图1 Sn-9Zn-XGa钎料在3.5% NaCl溶液中腐蚀速率 Fig.1 Corrosion rates of Sn-9Zn-Ga solders in 3.5% NaCl solution 入不同质量分数的Ga元素后，钎料合金的腐蚀速率与Sn-9Zn钎料相比均明显减小；并且随着所添加的Ga含量的增加，钎料合金的腐蚀速率递减。 图2为不同Ga含量的Sn-9Zn-Ga钎料在3.5%NaCl溶液中蚀15后的SEM和EDS分析如图2a所示，Sn-9Zn钎料表面腐蚀较严重，腐蚀产物呈玻璃片状，而且有些地方的腐蚀产物明显剥离了基体说明腐蚀产物粘附性较差，不能对基体起保护作用腐蚀产物被剥离后，基体又会与腐蚀介质接触，从而继续腐蚀，故Sn-9Zn钎料的耐腐蚀性能较差。图2b、c所示分别为Sn-9Zn-0.5Ga和Sn-9Zn-1Ga钎料腐蚀后的表面形貌与Sn-9Zn钎料相比，添加Ga元素后，随着Ga元素含量的增加，腐蚀产物成片覆盖在钎料表面，使得裸露钎料的面积减小，试样更趋向于均匀腐蚀。而且，腐蚀产物的粘附性提高，剥落现象减少，均匀覆盖在钎料表面上，阻止钎料的进一步腐蚀，从而提高了钎料的耐蚀性能。图2d为Sn-9Zn-0.5Ga腐蚀产物的EDS分析腐蚀产物中含有大量的Zn，少量Sn，几乎不含Ga，说明Zn被选择腐蚀了。 图3为不同