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传统Sn-Pb钎料由于Pb的毒性而在越来越多的国家和领域被禁止使用,无铅钎料的研究与应用已经成为电子工业发展的关键技术之一。Sn-Zn合金熔点接近Sn-Pb钎料且具有更优的力学性能和较低的材料成本,已被认为是潜在的能用于替代传统Sn-Pb钎料的合金系之一。然而,由于Zn的活性,Sn-Zn合金普遍易氧化,耐蚀性与润湿性较差,使其在多个领域的应用受到了制约。 针对Sn-Zn系合金存在的问题,本文以研究与应用较为广泛的Sn-9Zn合金作为参比物,研究了0.1wt％Ni、Pr、Nd元素在Sn-9Zn合金中的添加以及快速凝固制备工艺对钎料合金微观组织结构、熔化与润湿特性、耐腐蚀性能、接头力学性能及界面化合物特征等的影响。 研究表明,Sn-9Zn钎料合金中添加0.1wt%Ni/Pr/Nd元素均能细化组织并避免Zn相的过度聚集;经快速凝固制备后,Sn-9Zn-0.1Ni/Pr/Nd合金组织部分由层片状转变为粒状,Zn相部分过饱和固溶于Sn基体中,部分以尺寸为1~2μm的颗粒分布于Sn枝晶中。 与Sn-9Zn钎料合金相比,0.1wt%Ni/Pr/Nd元素的添加对于合金熔点几乎不产生影响,但能够不同程度地改善钎料合金的可焊性,在相同工艺条件下能够提高合金对基板的润湿力和缩短润湿时间,促进了界面IMC的细化与均匀化。 0.1wt%Ni元素在Sn-9Zn合金中的添加能够显著提高钎料合金的自腐蚀电位,改善耐蚀性,微量Pr/Nd元素添加的影响则不明显;添加0.1wt%Ni/Pr/Nd元素的Sn-9Zn合金经快速凝固制备后,由于活泼的自由Zn尺寸小且分布弥散,自腐蚀电位均升高,耐蚀性得到改善。 与常态合金相比,经快速凝固制备后的Sn-9Zn-0.1Ni/Pr/Nd合金中成分均匀且处于热力学亚稳态,加热过程中能够释放结晶潜热促进熔化过程的迅速完成,熔化区间均大幅减小,界面反应能够在较短时间均匀充分地完成,能够在较短钎焊时间即实现结合强度超出常态Sn-9Zn钎料30%以上的高性能连接。 本课题的试验研究结果表明,Sn-Zn通过微合金化及快速凝固技术的单一或复合应用,能够改善合金的润湿性和耐蚀性能并实现钎料/基板在较低温度和/或较短时间下的优良连接。本课题开展的试验研究工作,对新型高性能无铅钎料研究具有借鉴意义和一定的实用价值。