稀土pr对sn-9zn无铅钎料组织和性能的影响-effect of rare earth pr on microstructure and properties of sn - 9zn lead-free solder.docx

摘要由于铅的毒性以及微电子产品的微型化、高密度化发展对高性能钎料的要求，迫切需要研发性能优异且成本低廉的无铅钎料。其中，Sn-Zn钎料以其熔点接近传统Sn-Pb钎料，焊点力学性能优良，成本低廉等优点而被认为是目前最有潜力合金之一。但是该钎料的润湿性能较差，易氧化，耐蚀性能差限制了它在电子产品中的广泛应用。本文针对Sn-Zn系无铅钎料存在的不足，提出在Sn-9Zn钎料中加入稀土Pr来优化合金性能，探究Pr对钎料组织与性能的影响规律。试验结果表明：微量Pr能够很好地改善钎料的润湿性能和抗氧化性能，稀土Pr添加后，会聚集在钎料表面，降低液态钎料的表面张力，减少Zn与O反应的机会，改善了钎料的流动性，提高了钎料的润湿性能，改善钎料的氧化；但Pr也是易氧化物质，当Pr含量超过0.1wt.%时，Pr会在钎料表面氧化形成氧化渣，恶化钎料的润湿性能，加剧钎料的氧化，本试验中Pr的最佳添加量为0.08wt.%。随着Pr含量的添加，钎料的腐蚀速度逐渐降低，腐蚀电位逐渐升高，钎料的耐蚀性能得到改善，钎料的腐蚀机制由Sn-9Zn钎料的全面腐蚀加点腐蚀慢慢向均匀腐蚀转变，腐蚀坑变浅，腐蚀产物不易脱落，耐蚀性能提高。Pr添加后后焊点的剪切力和拉伸力均有较大的提高，剪切力在Pr含量为0.04wt.%时增加达28.7%，而拉伸力在Pr含量为0.08wt.%时增加达38%，过量Pr添加后，断口处有大块的硬而脆的Cu-Zn化合物，焊点在金属间化合物与钎料界面附近断裂，焊点力学性能反而下降。Pr加入后细化了钎料基体中的富Zn相，减缓了界面IMC层的生长速度，且抑制了IMC与Cu基板界面Cu-Sn化合物形成，使得界面组织更为稳定，提高了焊点可靠性；但是当Pr添加到0.25wt.%时，界面附近形成了大量的Sn-Pr化合物，这些Sn-Pr化合物随后被氧化并导致了钎料中锡须的大量生长。总的来说，Pr在Sn-9Zn钎料中的最佳添加量为0.08wt.%，此时钎料综合性能最佳。关键词：Sn-9Zn，无铅钎料，润湿性能，力学性能，界面，锡须ABSTRACTDuetothetoxicityofPbandthedemandforhighperformancesolderstomeetthedevelopmentofminiaturizationandhigh-densityofelectronicproduct,itbecomesurgenttodevelopsomelead-freesolderswithexcellentperformanceandlowcost.Amongalllead-freesolders,Sn-Znalloyhasbeenrecognizedastheoneofthemostpromisingalloysincemanyadvantagesofthesolder,suchaslowmeltingpointclosetotheSn-Pballoy,excellentmechanicalpropertiesofsolderjoints,lowcostandsoon.Butitsdeficiencyinwettability,oxidationresistanceandcorrosionresistancelimiteditswideapplicationinelectronicproduct.Sointhispaper,weproposedaddingsomerareearthelementPrtotheSn-9ZnsolderinthehopeofoptimizingthepropertiesofthesolderandstudiedtheinfluencerulesofPrcontentonthepropertiesandmicrostructuresofthesolder.Experimentalresultsshowthat:TraceamountofPrcangreatlyimprovethewettabilityandtheoxidationresistanceofthesolderbecausePraccumulateonthesurfaceoftheliquidsolder,thiswouldnotonlylowerthesurfacetensionofthesolderbutalsoreducetheopportunitythatZnreactwithOxygen,whicharebenefittothewettabilityandtheoxidationresistanceofthesolder.ButPriseasytobeoxidizedinair，excessivePrwillcausemassoxidizingslagontheso