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随着电子产品中焊料无铅化的发展,近共晶Sn-Ag-Cu三元合金因具有良好的润湿性和力学性能,被认为是最有潜力替代传统共晶Sn-Pb的无铅焊料之一。但是其本身存在的一些可靠性问题,如抗跌落性差、界面化合物在时效过程中生长快速等限制了其应用。特别是为适应电子封装尺寸小型化、高密度化、多功能化、服役环境的苛刻程度增加的发展要求,对于Sn-Ag-Cu焊料的力学性能和界面反应行为有进一步研究的必要。
低银成分的焊料合金Sn-1Ag-0.5Cu因具有较低的生产成本和优异的抗跌落性能受到电子行业的关注。降低Ag含量必然降低组织中金属间化合物的数量,使得合金的强度有所降低,添加Zn元素能够影响焊料的显微组织和力学性能。研究表明,随着Zn含量的增加,组织中的Cu6Sn5和Ag3Sn逐次被Cu5Zn8、Ag5Zn8和AgZn3替代；拉伸实验显示合金的延伸率随着Zn含量的增加呈降低的趋势,而拉伸强度首先随着Zn含量的增加而增加,在Zn为1wt.％时达到最大,然而在Zn增加到2wt.％时反而下降。对于拉伸断口和变形后试样表面的观察发现Sn-1Ag-0.5Cu-2Zn的断裂与Ag5Zn8有关,透射电镜进一步观察证实了Ag5Zn8弱化了合金组织,使得此成分的合金的拉伸强度和延伸率很差。
同时,对于焊料的低周疲劳行为研究发现,添加不同Zn含量的Sn-1Ag-0.5Cu合金表现出循环软化现象,并且随着Zn含量和塑性应变幅的提高,循环软化行为更加明显,而疲劳寿命则呈现出降低的趋势。观察表明,试样表面裂纹密度随着循环周次的增加而增大,沿晶裂纹和这些沿晶裂纹的相互连接形成的主裂纹构成焊料主要的疲劳失效机制。
在Sn-1Ag-0.5Cu/Cu界面反应的研究中,发现界面化合物的生长由原子的反应扩散机制控制,Zn添加改变了界面化合物的类型,当Zn含量增加到2wt.％和7wt.％时,界面化合物由Cu6Sn5分别转变为CuZn和Cu5Zn8。同时,添加Zn元素能够有效地降低回流和时效过程中界面化合物的生长速率,抑制Cu3Sn化合物层的生长和Kirkendall空洞的出现,这对于提高焊点可靠性有重要的意义。