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

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