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

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圖1 Sn-0.7Cu與SC-Co-Ni-P釺料在Cu表面界面化合物層的形貌對比。

(a)Sn-0.7Cu              (b)SC-Co-Ni-P

圖2 150℃時效24小時後界面IMC形貌

圖4 微量Co、Ni元素對Sn-0.7Cu鋪展性能的影響

自適應無鉛焊料研發及其連接可靠性研究
 
　　電子工業的飛速發展以及人們環保意識的提高迫切要求發展無鉛焊料，無鉛焊料焊點組織中普遍存在的金屬間化合物往往引起連接性能惡化，甚至導緻電子器件失效。因此，對焊點組織中金屬間化合物的形成進行控制是提高其連接可靠性的關鍵。本項目從焊點服役過程熱力耦合循環作用入手，創造性地提出了發展自适應無鉛焊料的新思路：通過焊料組分選擇及成形工藝控制，使其在焊料組織中生成具有形狀記憶性能的金屬間化合物。通過研究多元Sn-Ag-Zn-Bi-X合金凝固過程及連接界面反應中金屬間化合物的析出與演化規律，建立焊點凝固、界面反應及服役過程的組織選擇圖，從中确定符合工業标準的自适應無鉛焊料配方及成形工藝。該項目對避開國際上無鉛焊料專利和綠色電子産品保護壁壘、實現無鉛化電子封裝和确保組裝件可靠服役具有重要的意義。

 
1、高性能Sn-Ag-Zn自适應無鉛焊絲（棒）
1.1 成分 Ag 3.0-3.7 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量 抗拉強度 74.0 MPa 熔點 215.7 oC 延伸
率 29-33%
1.2 成分 Ag 3.0-3.7 Bi 1.0-4.2 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量抗拉強度 68.5 MPa 熔點
205.1 oC 延伸率 28-35%
 
2、低成本高性能Sn-Ag-Zn自适應無鉛焊絲（棒）（與SAC305性能相當，原材料成本下
降40%）

2.1 成分 Bi 1.0-4.2 Ag 0.1-0.7 Zn 0.5-1.5 Sn餘量 抗拉強度 68.0 MPa 熔點 209.5 oC 延伸率
33%
2.2 成分 Ag 0.1-0.5 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量 抗拉強度 28.6 MPa 熔點 196.3 oC 延伸
率 28-35%
 
3、高性能Sn-Ag-Zn自适應無鉛焊膏

3.1 成分 Ag 3.0-3.7 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量 助焊劑 8-12
抗拉強度 76.0 MPa 熔點 215.1 oC 延伸率 29-38%
3.2 成分 Ag 3.0-3.7 Bi 1.0-4.2 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn餘量助焊劑 8-12抗拉強度 68.5
MPa 熔點 205.2 oC 延伸率 28-35%
 
4、低成本高性能Sn-Ag-Zn自适應無鉛複合焊膏

4.1 成分 Bi 1.0-4.2 Ag 0.1-0.7 Zn 0.5-1.5 Cu 0.01-0.05 Sn餘量助焊劑 8-12抗拉強度 75.0
MPa 熔點 209.2 oC 延伸率 33-38%
4.2 成分 Ag 0.1-0.5 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Cu 0.01-0.05 Sn餘量助焊劑 8-12抗拉強度
42.6 MPa 熔點 195.3 oC 延伸率 32-39%