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中亚(天津)电子锡焊技术有限公司

重视环保、提倡绿色产品是当今世界经济发展的大趋势。铅锡焊料的使用已有约两千年的历史,在现代电子装配工业中更是得到广泛应用。由于铅对人体神经系统的损害给人类健康带来不可忽视的危害,铅污染问题日益受到人们的重视,以至于国际上已禁止在电子装配工业中使用含铅材料。为积极响应全球绿色制造、无铅化制程的趋势,与国际上已发展的无铅焊料专利相抗衡,发展具有自主知识产权的无铅焊料已成为电子制造业的当务之急。同时,电子工业日新月异的发展对焊接性能也提出了越来越高的要求,微型化和高密度集成的焊点所承载的力学、电学和热学负荷越来越重,对其可靠性要求日益苛刻。由于工作环境温度变化导致热疲劳而引发的电子装配失效问题一直是电子工业所面临的最大难题。

自2006年开始,天津大学与中亚(天津)电子锡焊技术有限公司等从焊点服役过程热力耦合循环作用入手,开展了Sn-Ag-Zn系无铅焊料组织形成与演化机理的研究,提出了自适应无铅焊料(通过焊料组分选择及成形工艺控制,使其在焊料组织中生成具有形状记忆性能的金属间化合物AgZn相,确保高连接可靠性)的研发思路。形成了两类具有自主知识产权的高性能、低成本自适应无铅焊料产品。与国际主流SAC305焊料相比,所开发的高性能焊料的性能提高至1.6倍,原材料成本减少10%;同时通过大幅度降低Ag含量,开发了另一系列的高性能低成本焊料,其力学性能与国际主流SAC305焊料相当,原材料成本减少了45%。该研究成果已在中亚(天津)电子锡焊技术有限公司产业化,产品销往天津、江苏和西安等全国各地,实现销售收入2100多万元。产品性能稳定,获得了用户的认可与良好评价。

在研制和开发高性能、低成本无铅焊料的过程中 ,该项目课题组不断追求技术创新和产品性能提高。 “锡银锌系无铅焊膏及其制备方法”、“低银含量的锡银锌系无铅焊料”、“一种自适应无铅焊料成份及制备方法”、 “氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料及其制备方法”、“铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银复合焊料及制备方法”五项技术分别获得了国家知识产权局颁发的发明专利证书。此外,出版专著1部,发表SCI论文35篇,其中Solder Surf Mt Tech 22 (2010) 13获英国Emerald出版社2011年高度赞扬奖。


7-1 抗高溫蠕變的Sn-Cu基釺料合金
    在衆多的錫基無鉛釺料合金體系中,Sn-Cu共晶系釺料由于不含銀,有着優越的性價比。在國内電子制造行業中有着廣泛的應用。該合金主要應用于波峰焊、浸焊以及手工焊接等工藝。
焊接接頭的組織溫度性差是該釺料的主要缺點之一。這嚴重制約了其在高可靠性電子産品上的應用。該合金的抗氧化性能較差是其另一個缺點,抗氧化性能差使得在波峰焊過程中液态釺料的出渣率增加,提高了成本。
    針對該合金存在的上述問題,我們經過長時間的深入研究,采用微合金化的手段,通過添加Co、Ni、P等多種微量元素,大幅提高了Sn-Cu釺料合金組織,特别是焊接接頭界面組織的高溫穩定性和釺料的抗氧化能力。
    研究發現,Co和Ni可以有效改變釺料/銅基闆界面化合物的形态。圖1(a)和(b)分别給出了傳統的Sn-Cu/Cu反應界面和本專利合金SC-Co-Ni-(P)/Cu界面化合物形貌的顯著差别。可以發現,微量的Co、Ni可以使界面化合物從粗大的扇貝裝轉變爲密實的層狀結構。盡管焊态下本專利合金所形成的化合物層有所增厚,但是由于界面層密實、平坦,焊接接頭在受外力作用時,界面處不容易出現應力集中,因此接頭的力學性能有所提高,特别是抗沖擊和抗震動性能要優于扇貝裝的界面結構。
    最新研究發現,這種層狀界面化合物還具有一個顯著的優點,就是組織的高溫穩定性要顯著優于扇貝狀界面結構,在高溫老化試驗中,其增長速度顯著低于扇貝狀的界面結構。
    更爲重要的是,經過對界面組織的顯微分析發現,密實的層狀化合物層還可以有效抑制Cu基闆側Cu3Sn化合物的形成。圖2是兩種界面組織在經過150度24小時時效後界面層的顯微組織結構,可以看出,在扇貝狀界面層下已經形成了一層連續的Cu3Sn化合物層,而在密實的層狀界面層下幾乎看不Cu3Sn層的出現。我們知道,Cu3Sn化合物的存在是由于在界面層處由于Sn與Cu原子擴散速度不同所形成的,它的形成往往伴随着Kenkidall 空洞的出現,這是造成接頭力學性能下降,特别是抗蠕變性能下降的主要原因。在扇貝狀界面層中,相鄰兩個扇貝狀Cu6Sn5化合物之間爲Sn、Cu原子的擴散提供了快速通道,因此Cu3Sn化合物層很容易形成;而在層狀界面層結構中,切斷了這種快速擴散通道,所以Cu3Sn化合物的形成速度大大降低。
    圖3是Sn-0.7Cu和SC-Co-Ni-P合金釺接Cu接頭經過150度24小時高溫時效後的蠕變性能測試結果。可以看出,本釺料合金的焊接接頭的抗蠕變性能增加了一倍以上。同時,該合金的潤濕性能也有所提高,圖4是兩種合金在銅表面上的潤濕性試驗結果。 該合金不含Pb等禁用元素,也不含Ag等貴金屬材料,成本低廉,焊接工藝性能與Sn-0.7Cu釺料合金接近。可以适用于各種電子産品的封裝,特别是對于需要在高溫環境下長期服役的電子産品來講,具有獨特的優越性。
    該合金已經申報國家發明專利,專利申請号:2009100705088

 

 

图1 Sn-0。7Cu与SC-Co-Ni-P钎料在Cu表面界面化合物层的形貌对比。

(a)Sn-0.7Cu

(b)SC-Co-Ni-P

图2 150℃时效24小时后界面IMC形貌

图4 微量Co、Ni元素对Sn-0.7Cu铺展性能的影响

 


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