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铝及其合金具有密度小、质量轻、导热和导电性能良好、成本低等优点,在电子封装中以铝代铜的软钎焊技术愈来愈受重视。然而目前有关电子封装中铝软钎焊技术的研究在我国相当有限。虽然Sn-Zn系钎料已用于铝软钎焊,但其润湿性能差,且目前有关改善该钎料润湿性能的研究大多数针对铜基板。本文对比研究了四种典型Sn基钎料(Sn-37Pb、Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-0.7Cu和Sn-9Zn)与铝、铜两种不同基板间的润湿机理特点,研究了添加合金元素对Sn-9Zn钎料在铝基板上润湿性能的影响,并对Sn-9Zn钎料用于铝软钎焊后接头的力学性能、抗腐蚀性能以及界面结合情况进行了深入研究。主要研究内容及结果如下:
⑴采用悬滴法测量了四种典型Sn基钎料在260℃温度时的表面张力,并测量了260℃温度下与铜基板的接触角,发现钎料表面张力越小,其在铜基板上铺展后接触角也越小,润湿性能越好,表明钎料在铜基板上的润湿性能主要取决于钎料的表面张力,而受钎料与铜基板界面间的作用影响较少。
⑵采用润湿平衡方法测量了四种典型钎料对铝、铜基板的润湿性能,结果表明钎料对铝基板的润湿时间明显长于对铜基板,显示钎料对铝基板的润湿性能不但取决于钎料的表面张力,而且受到与钎料与铝基板间的界面作用影响。随着钎焊温度升高,Sn-9Zn系钎料与铝基板的润湿力明显增加,表现出良好的润湿性,主要由于钎料中的Zn与Al发生强烈扩散,界面作用明显改善了钎料对铝基板的润湿性能。
⑶研究了添加元素Bi、Al、Ag对Sn-9Zn钎料在铝片上润湿性能的影响,经过成分优化发现Sn-9Zn-0.5Al-1.0Bi-0.5Ag钎料在铝基板上具有良好的铺展性能,并且Ag虽然极易与Al形成金属间化合物,但由于Ag分布在钎料基体内,在钎料铺展过程中并没有与Al直接接触发生反应润湿,因此含Ag钎料与铝基板间的界面作用对润湿性能的影响并不明显。研究还表明,在Sn-9Zn系钎料中添加过多的Ag反而会导致Ag与Zn生成金属间化合物,减少了钎料表面的Zn相,进而弱化了钎料在铝基板上铺展性能。
⑷采用扫描电镜研究了Sn-9Zn钎料与铝基板间界面结合情况,发现界面处区域均出现了明显的扩散层,且界面处从铝基板向钎料内部生长出针状富Zn相。由于Sn-9Zn钎料中Zn相与铝基板间发生的扩散作用,使得钎料与铝基板间的结合强度很高。