Sn-Ag,Sn-Au二元系相图动力学计算.doc

1 研究背景 1.1 无铅焊料的研究现状 Pb-Sn合金由于熔点低、强度高、导电性能好，而且对多数工程常用的基底材料润湿性比较好，被广泛的应用于电子行业各种金属表面之间的连接[1]。迄今为止，还未有任何焊料合金能与之匹敌。但是铅污染环境，危害人体健康也是众所周知的事实。 近年来，无铅焊料的研究和开发被日益受到重视。1986年美国国会通过立法禁止含铅焊料被用于饮用水管管线。1990年在更多场合，包括电子工业中限制使用Pb，西欧及欧盟同家也考虑采用法律的手段限制和禁止含铅产品的应用。从环境保护和人类健康角度出发，在全世界范围内将会禁用含铅焊料。可以预见，中国对含铅制品的生产使用也会有越来越严格的限制。许多大城市已经明确规定禁止使用含铅汽油就是一个很好的例子，以先进的材料取代原有的Sn-Pb焊料势在必行。 国外近年来对二元系无铅焊料进行了较深入广泛的研究，采用的方法都是用另外一种组元取代Sn-Pb共晶合金中的Pb。研究的体系有[2]：Sn-Bi系、Sn-Ag系、Sn-In系、Sn-Zn系、Sn-Sb系等。共晶Sn-Ag焊料对电子工业是很有吸引力的，研究表明在，焊料中该共晶焊料的剪切强度和蠕变抗力都是很优越的，使得接头更为可靠。但熔点较高(221℃)，在Cu基体上润湿性能也稍差，近年来，在二元Sn-Ag焊料的基础上开发了一系列多元合金焊料，如Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Zn、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Sb、Sn-Ag-In、Sn-Ag-Cu-Zn等。 1.2 Sn-Ag无铅焊料的研究现状 研究开发无铅焊料是我国电子材料行业面临的新课题，而Sn-Ag系是一种有希望替代铅焊料的无铅焊料。在焊料和基体的作用中，除润湿现象外，还包括形成金属间化合物层的形成，基体金属溶人焊缝。这些相互作用会影响最终焊接接头的可靠性。 1.2.1 金属间化合物的形成 在钎料/基体界面上，Sn和共晶Sn-Ag、Sn-Bi都可以形成相同的金属间化合物。焊接基体为Cu时，近基体侧为Cu3Sn相，近焊料侧为Cu6Sn5[3,4]，Ag几乎不能进入金属间化合物层；焊料为Sn-3.5Ag时，Cu-Sn金属间化合物中的银含量小于1％；当基体为Ni时，主要是形成Ni3Sn4，也有Ni3Sn2和亚稳相NiSn3，在Ni基体上形成金属间化合物的速度低于Cu基体。通过热力学计算可预测Cu和各种焊料合金的界面反应产物。 Lomdon和Ashall[5]测量了在240—360℃温度下，熔融的Sn-3.5Ag与Cu基体反应时化合物Cu6Sn5和Cu3Sn形成的速度。随温度增加，Cu3Sn和Cu6Sn5化合物的生长速度增加，但化合物层中Cu6Sn5的比例在减少。总化合物层长大的速度遵循X=Kt1/3 (X：层厚，t：时间，K：与温度有关的速度常数)的长大规律，长大的激活能为21KJ／mol；Cu3Sn层长大的速度遵循X=Kt1/2长大规律，长大的激活能为58KJ／mol。 当焊料凝固后，界面金属间化合物层会继续长大，Zakraysen测得Sn-5Ag长大的激活能为30KJ／mol，100℃时，长大速度与60Sn-40Pb相当，150℃和200℃，长大速度慢于共晶Sn-Pb。由于Sn含量高，化合物层在很长时间内能够连续长大，由Ohrher确定的激活能则为40KJ／mol。 当焊接接头受到热冲击时，随热冲击周次的增加，金属间化合物的厚度也相应增加。 由于中间化合物(Cu3Sn和Cu6Sn5)的本征脆性，焊接过程中和焊后界面形成的化台物及其长大常常削弱接头的机械性能。随着化合物层厚度增加，焊接接头的抗拉强度下降。 1.2.2 基体溶解 熔融焊料与基体接触时，基体金属将溶入焊缝。溶解数量和速度与基体金属在焊料中的溶解度有关。在电子工业中，Cu是常用的基体材料，随着焊接温度升高、焊接时间延长，溶解的Cu量增加。富Sn焊料应当防止焊接过程或返工时Cu基体过份溶解，以提高焊接性能和焊接接头的可靠性。Cu基体上镀Ni，对Sn-Pb和Sn-Bi共晶焊料而言，Cn溶解的速度显著下降，而对Sn -3.5％Ag，则不能有效减慢Cu的溶解，但化学镀Ni-P合金能够有效地阻止钎焊过程中Cu、Sn的相互扩散及金属间化合物的生成[6]，从而提高了焊点的寿命。 长久以来，人们都采用金镀层保护金属表面，防止氧化，改善焊接性能。Au能迅速溶人共晶Sn-Pb、Sn-Bi和Sn-Ag合金中。Sn-3.5Ag中能容纳更多的Au，当Au含量8％时，机械性能不会显著恶化，而Sn-Pb共晶中Au含量超过5％即形成初生相AuSn4，使延展性急剧降低，拉伸断口呈脆性。而溶解的Au量同为5％时，共晶Sn-3.5Ag的延伸率降低很少，拉伸断口呈延性。 1.2.3 润湿行为 与共晶Sn-Pb相比，Sn-3.5Ag的润湿性能比较差，这是由于焊料与