合金元素及时效处理对Sn-Zn无铅钎料组织和钎焊界面的影响

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Sn-Zn无铅焊料具有熔点低,价格低廉、无毒性等特点,倍受关注。但Sn-Zn无铅钎料易氧化,润湿性差,影响其在工程中的应用。近年来,已有部分有关改善Sn-Zn无铅钎料抗氧化性和润湿性的研究,但有关合金化及时效处理对Sn-Zn无铅钎料组织和钎焊界面的影响的研究还甚少。本文以Sn-9Zn及添加3wt.%Bi、0.45wt.%Al、0.5wt.%RE的Sn-9Zn无铅钎料为对象,采用OM、SEM、XRD及EDS等分析手段,主要研究了合金元素及时效处理对钎料组织,时效处理对Solders/Cu钎焊界面的影响。并得出以下结论:(1)在Sn-9Zn钎料中添加3wt.%Bi后,Bi主要以固溶体的形式固溶于β-Sn基体中,同时在基体中也有少量片状Bi析出,钎料组织得到细化,针状富Zn的分布更加无序。(2)Sn-9Zn钎料中添加0.45wt.%Al后,在钎料晶界处有不连续网状的富Al相析出,其成分为60.14%Al-30.26%Zn-9.6%Sn,粗大针状组织数量明显减少,钎料组织得到细化。(3)在Sn-9Zn中添加0.5wt.%RE后,在钎料基体中形成了块状Sn-La-Ce化合物,经分析其成分为66.14%Sn-24.26%Ce-10.6%La,钎料组织得到细化。(4)对Sn-9Zn,Sn-9Zn-3Bi,Sn-9Zn-0.45Al,Sn-9Zn-0.5RE无铅钎料在100℃下600小时时效后,钎料组织中的粗大针状富Zn相逐渐减少,钎料组织得到细化。随着时效的进行,Sn-9Zn-3Bi无铅钎料基体中白色Bi的析出物逐渐消失,Sn-9Zn-0.45Al富Al相的量逐渐减少,Sn-9Zn-0.5RE钎料基体中的块状Sn-La-Ce化合物的形状减小。(5)对Sn-9Zn,Sn-9Zn-3Bi,Sn-9Zn-0.45Al,Sn-9Zn-0.5RE无铅钎料与Cu形成的钎焊界面在100℃进行不同时间的时效处理研究,研究表明,时效前后钎焊界面处均有γ-Cu5Zn8、β-CuZn金属间化合物生成,其中靠近Cu基体侧比较平直的为γ-Cu5Zn8、靠近钎料侧为β-CuZn。随着时效时间的增加,Solders/Cu钎焊界面IMC的厚度也增加,其中添加3wt.%Bi元素的IMC的厚度较大,添加0.5wt.%RE、0.45wt.%Al后钎焊界面IMC的厚度较小。(6)对Sn-9Zn及添加3wt.%Bi、0.45wt.%Al、0.5wt.%RE的Sn-9Zn钎料与Cu形成的钎焊界面IMC在100℃下时效不同时间后的生长规律进行研究,结果表明,添加不同合金元素的钎焊界面IMC的生长速率不同,其中Sn-9Zn/Cu钎焊界面IMC的生长速率常数为0.1467、添加3wt.%Bi后的钎焊界面IMC的生长速率常数为0.1139、添加0.45wt.%Al后的钎焊界面IMC的生长速率常数为0.0332、添加0.5wt.%RE后的钎焊界面IMC的生长速率常数为0.0677,且钎焊界面IMC的总厚度与时效时间基本符合T=Kt1/3的生长规律。
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