Sn-Zn系无铅钎料研究现状(2)

(3)添加In元素 与Bi元素相似,In元素也具有一定的表面活性,这种表面活性降低了钎料的表面张力,达到了改善润湿性能的目的[23],起到了提高合金的力


(3)添加In元素

与Bi元素相似,In元素也具有一定的表面活性,这种表面活性降低了钎料的表面张力,达到了改善润湿性能的目的[23],起到了提高合金的力学性能的作用[24],大大方便了钎料在铜板上铺展。但由于In资源的稀缺,导致该金属价格昂贵,无法大量投入到生产应用中。

(4)添加Al元素

Al元素的加入同样能提高Sn-Zn系钎料的抗氧化性能,从而改善润湿性[25]。Al在Sn-Zn无铅钎料中的合金化,能够在一定程度上抑制Zn的氧化反应,因为Al的存在,会在钎料表面偏析,而这种偏析会在Sn-Zn钎料的表面形成一层钝化膜,从而起到保护Zn元素的作用。Al在Sn晶界上的偏析也能显著提高钎料的力学性能。但是Al元素的添加必须适量,过量的Al氧化膜增厚,恶化润湿性[26,27],同时也会降低力学性能。

(5)添加Ga元素

Ga在Sn-Zn无铅钎料中与Sn和Zn都能形成共晶,由于Ga本身的熔点低,大约只有29.8℃,所以Ga元素在Sn-Zn中的合金化,能够有效的降低钎料合金的熔点,有研究表明Sn-9Zn钎料中加入0.5wt.%的Ga后降低了钎料的熔点。北京大学张启运教授的研究还表明,Ga元素极易在液态Sn-Pb钎料表面富集,并形成致密的保护膜从而提高钎料的抗氧化性能[28],Ga的这个作用对易于氧化的Sn-Zn系钎料来说尤其有意义,但相关的研究并不多见。

2、Sn-Zn无铅钎料助焊剂的研究

钎料的润湿性能不仅与合金的物理性能有关,与采用的助焊剂也有很大关系[29]。金属材料在大气中或多或少会被氧化,表面形成氧化膜。助焊剂是指在焊接过程中用以去除金属材料表面氧化物,以达到帮助焊接的目的的各种化学物质[30],一般由成膜剂、活性剂和溶剂等组成。Zn易氧化,在Sn-Zn无铅钎料的焊接中,Zn很容易与O2反应生成金属氧化物,从而依附在钎料的表面,这使得钎料与Cu基板接触变得困难,也在一定程度上增大了钎料的表面张力。在焊接过程中使用助焊剂,能减小金属表面氧化物带来的影响,从而提高Sn-9Zn的润湿性。

研究表明,在松香型助焊剂中添加SnCl2活化剂,可以显著提高Sn-9Zn的润湿性,当SnCl2含量达到20(质量分数,%)时,Sn-9Zn无铅钎料的润湿水平已经可以跟同等助焊剂条件下的Sn-Pb有铅钎料相当。如果同时通过加入有机碱性缓蚀剂,则基本可以消除含SnCl2的松香助焊剂对钎料及焊点的腐蚀作用[31]。在对二甲胺盐酸盐(DMAHCl)、乳酸、硬脂酸以及油酸四种助焊剂匹配Sn-Zn-In无铅钎料的润湿性试验研究中,发现采用含3.5%(质量分数)二甲胺盐(DMA)的助焊剂时,钎料的润湿性能是最好的。在对乳酸型助焊剂的研究中发现,要实现钎料的润湿,其弄滴必须在大于5.0%的条件下。而油酸类,硬脂酸类的助焊剂不合适与近共晶的无铅Sn-Zn-In钎料匹配使用。此外在以传统乙醇松香助焊剂为基本条件下,进行的添加DMA对Sn-Zn焊接的影响实验中,专家发现添加DMA能够提高Sn-Zn的润湿性,其最佳添加量为0.5(质量分数,%)[32]。2-乙基己酸亚锡这种助焊剂也能改善Sn-Zn钎料的润湿性,而这种润湿性的改善得益于该助焊剂中有机锡的分解,形成Sn附在Cu板的表面,达到提高钎料的抗氧化性能的目的。但在对环境发展的要求中,人们意识到2-乙基己酸亚锡具有的毒性,所以该助焊剂被限制使用。可见要研究价格低廉,且能够广泛投入使用,又能明显改善钎料润湿性的助焊剂并不是一件容易的事情,在未来的发展中,对于在Sn-Zn焊接中使用的助焊剂的研究仍然是个热门课题。

综上所示,加入合金化元素以及研究专门的助焊剂都能有效地改善Sn-Zn的润湿性能,其中添加Bi、Ag、Al、In、Ga等元素对Sn-Zn系钎料的润湿性与力学性能都有不同程度的改善作用。研究还表明Ga元素在Sn-Zn合金中能与Sn跟Zn形成共晶产物,由于Ga本身的低熔点,能够有效降低Sn-Zn无铅钎料的熔点,此外,由于Ga元素在钎料表面的富集作用,也能有效阻止Zn被氧化,由此,Ga元素在Sn-Zn钎料中的合金化,能够很好地改善钎料的润湿性能[33,34],对Sn-Zn系钎料的发展具有重要意义。