7-1 抗高温蠕变的Sn-Cu基钎料合金 
　　在众多的锡基无铅钎料合金体系中，Sn-Cu共晶系钎料由于不含银，有着优越的性价比。在国内电子制造行业中有着广泛的应用。该合金主要应用于波峰焊、浸焊以及手工焊接等工艺。
焊接接头的组织温度性差是该钎料的主要缺点之一。这严重制约了其在高可靠性电子产品上的应用。该合金的抗氧化性能较差是其另一个缺点，抗氧化性能差使得在波峰焊过程中液态钎料的出渣率增加，提高了成本。 
　　针对该合金存在的上述问题，我们经过长时间的深入研究，采用微合金化的手段，通过添加Co、Ni、P等多种微量元素，大幅提高了Sn-Cu钎料合金组织，特别是焊接接头界面组织的高温稳定性和钎料的抗氧化能力。 
　　研究发现，Co和Ni可以有效改变钎料/铜基板界面化合物的形态。图1（a）和（b）分别给出了传统的Sn-Cu/Cu反应界面和本专利合金SC-Co-Ni-（P）/Cu界面化合物形貌的显著差别。可以发现，微量的Co、Ni可以使界面化合物从粗大的扇贝装转变为密实的层状结构。尽管焊态下本专利合金所形成的化合物层有所增厚，但是由于界面层密实、平坦，焊接接头在受外力作用时，界面处不容易出现应力集中，因此接头的力学性能有所提高，特别是抗冲击和抗震动性能要优于扇贝装的界面结构。 
　　最新研究发现，这种层状界面化合物还具有一个显著的优点，就是组织的高温稳定性要显著优于扇贝状界面结构，在高温老化试验中，其增长速度显著低于扇贝状的界面结构。 
　　更为重要的是，经过对界面组织的显微分析发现，密实的层状化合物层还可以有效抑制Cu基板侧Cu₃Sn化合物的形成。图2是两种界面组织在经过150度24小时时效后界面层的显微组织结构，可以看出，在扇贝状界面层下已经形成了一层连续的Cu₃Sn化合物层，而在密实的层状界面层下几乎看不Cu₃Sn层的出现。我们知道，Cu₃Sn化合物的存在是由于在界面层处由于Sn与Cu原子扩散速度不同所形成的，它的形成往往伴随着Kenkidall 空洞的出现，这是造成接头力学性能下降，特别是抗蠕变性能下降的主要原因。在扇贝状界面层中，相邻两个扇贝状Cu₆Sn₅化合物之间为Sn、Cu原子的扩散提供了快速通道，因此Cu₃Sn化合物层很容易形成；而在层状界面层结构中，切断了这种快速扩散通道，所以Cu₃Sn化合物的形成速度大大降低。 
　　图3是Sn-0.7Cu和SC-Co-Ni-P合金钎接Cu接头经过150度24小时高温时效后的蠕变性能测试结果。可以看出，本钎料合金的焊接接头的抗蠕变性能增加了一倍以上。同时，该合金的润湿性能也有所提高，图4是两种合金在铜表面上的润湿性试验结果。 该合金不含Pb等禁用元素，也不含Ag等贵金属材料，成本低廉，焊接工艺性能与Sn-0.7Cu钎料合金接近。可以适用于各种电子产品的封装，特别是对于需要在高温环境下长期服役的电子产品来讲，具有独特的优越性。 
　　该合金已经申报国家发明专利，专利申请号：2009100705088

最新產品推介

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

自適应无铅焊料研发及其连接可靠性研究
 
　　电子工业的飞速发展以及人们环保意识的提高迫切要求发展无铅焊料，无铅焊料焊点组织中普遍存在的金属间化合物往往引起连接性能恶化，甚至导致电子器件失效。因此，对焊点组织中金属间化合物的形成进行控制是提高其连接可靠性的关键。本项目从焊点服役过程热力耦合循环作用入手，创造性地提出了发展自适应无铅焊料的新思路：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。通过研究多元Sn-Ag-Zn-Bi-X合金凝固过程及连接界面反应中金属间化合物的析出与演化规律，建立焊点凝固、界面反应及服役过程的组织选择图，从中确定符合工业标准的自适应无铅焊料配方及成形工艺。该项目对避开国际上无铅焊料专利和绿色电子产品保护壁垒、实现无铅化电子封装和确保组装件可靠服役具有重要的意义。

 
1、高性能Sn-Ag-Zn自适应无铅焊丝（棒）
1.1 成分 Ag 3.0-3.7 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn余量 抗拉强度 74.0 MPa 熔点 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余量抗拉强度 68.5 MPa 熔点
205.1 oC 延伸率 28-35%
 
2、低成本高性能Sn-Ag-Zn自适应无铅焊丝（棒）（与SAC305性能相当，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余量 抗拉强度 68.0 MPa 熔点 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余量 抗拉强度 28.6 MPa 熔点 196.3 oC 延伸
率 28-35%
 
3、高性能Sn-Ag-Zn自适应无铅焊膏

3.1 成分 Ag 3.0-3.7 Zn 0.5-1.5 Ce 0.01-0.05 Sn余量 助焊剂 8-12
抗拉强度 76.0 MPa 熔点 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余量助焊剂 8-12抗拉强度 68.5
MPa 熔点 205.2 oC 延伸率 28-35%
 
4、低成本高性能Sn-Ag-Zn自适应无铅复合焊膏

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余量助焊剂 8-12抗拉强度 75.0
MPa 熔点 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余量助焊剂 8-12抗拉强度
42.6 MPa 熔点 195.3 oC 延伸率 32-39%