微量釹對Sn-6.5Zn/銅焊點界面組織與性能的影響

趙國際

（重慶工業職業技術學院 機械工程學院，重慶401120）

0 引 言

隨著釬料無鉛化進程的深入和電子封裝技術的發展，高性能無鉛釬料的開發與應用已成為提高微連接可靠性的關鍵技術之一［1］。由于錫鋅合金的共晶溫度（198.5℃）接近傳統錫鉛合金的共晶溫度（183℃），且材料成本低、焊接接頭（焊點）力學性能優良，被認為是一種可替代傳統錫鉛釬料的合金［2-3］。但鋅性質活潑，導致錫鋅合金的鋪展性與抗氧化性能較差，使錫鋅合金的應用受到一定限制。目前，關于錫鋅二元合金的研究主要集中在Sn-9Zn合金上［3］，而 Wei［4］和 Mahmudi［5］的研究則認為亞共晶Sn-6.5Zn合金具有更好的鋪展性和結合性能，具有一定的應用前景。

在錫鋅二元合金中添加一定種類和數量的合金化元素是改善釬料性能的主要方式［1-3］，而釬焊時界面反應過程中金屬間化合物（IMC）的形成及其特征對焊點結合性能起著至關重要的作用。目前，關于微量稀土（RE）添加對亞共晶Sn-6.5Zn合金/銅焊點界面IMC特性影響的研究尚未見報道。為此，作者研究了微量釹對Sn-6.5Zn/銅焊點界面IMC特性及焊點剪切性能的影響，為新型錫鋅系合金的研發提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用Sn-6.5Zn-xNd（x＝0，0.1，0.5）合金釬料用純度不小于99.9%的純錫、純鋅、純釹按照所需質量分數配料，并考慮鋅燒損，在ZG-001型真空爐中進行兩次熔煉后在鋼模中澆鑄而成。

取0.2g的Sn-6.5Zn-xNd釬料合金置于厚度為0.2mm的T2銅基板中央，利用市售松香焊錫膏作為釬劑覆蓋釬料，在SX-12型箱式電爐中形成鋪展焊點后（溫度255℃，時間40s），利用體積分數為13%HNO3溶液溶解銅基板上多余的釬料，然后用無水乙醇沖洗并吹干，用TESCAN VegaⅡLMU型掃描電子顯微鏡（SEM）對Sn-6.5Zn-xNd合金/銅焊點界面的IMC層形貌進行觀察；并利用配套的OXFORD ISIS300型能譜分析儀（EDS）進行特征位置成分分析。圖1所示為焊點界面IMC形貌觀察試樣制備示意圖。

焊點結合強度試驗依照GB/T 11363-2008《釬焊接頭強度試驗方法》中剪切試驗進行，接頭試樣如圖2所示，Sn-6.5Zn-xNd合金釬料在軋輥機上軋制成0.1mm厚的薄帶，并以板厚為3.8mm的T3純銅為基材，松香焊錫膏作釬劑，釬焊溫度255℃，時間4min。利用ANS型電子萬能試驗機對接頭進行拉伸-剪切試驗，加載速度為0.5mm·min-1，每種試樣取3次平均值。并對斷口進行SEM形貌觀察和EDS成分分析。

圖2 焊點接頭試樣尺寸Fig.2 Dimension of a tensile-shear joint

2 試驗結果與討論

2.1 界面微觀形貌

釬料/基板焊點界面結構及IMC特性會直接影響連接的可靠性。由于基材與IMC層間熱膨脹系數差異顯著，會導致連接界面發生開裂［6］。液態錫鋅合金與銅基板接觸時會在界面處至少形成兩層IMC，即在靠近銅基板側形成一層厚度極小的CuZn層，而在靠近液態釬料側形成Cu5Zn8層［4-7］。此外，在釬焊過程中，基板中的銅原子會穿越界面上IMC層向釬料的擴散，并在局部區域與釬料中的鋅原子結合形成顆粒狀Cu5Zn8相［6］。

Sn-6.5Zn/銅鋪展焊點界面SEM形貌如圖3所示，特征位置EDS分析結果見表1。

圖3 Sn-6.5Zn/銅焊點界面SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the interface of the Sn-6.5Zn/Cu soldered joint

表1 特征位置EDS分析結果（原子分數）Tab.1 Composition of characteristic positions measured by EDS（atom） %

依據界面特征位置EDS分析結果并結合相關研究［3-7］，可以判定顆粒狀IMC為Cu5Zn8（圖3中A與B處），呈板狀分布于銅基板上的IMC主要為CuZn（圖3中C處）。液態釬料與基板接觸即會發生界面反應，形成的CuZn會與釬料中的鋅繼續反應形成Cu5Zn8［6］；試驗溫度條件下，Sn-6.5Zn釬料和基板反應不夠充分和均勻，導致形成與生長的Cu5Zn8尺寸較大且分布的致密性與均勻程度均較差，位向由基板指向釬料。

由鋅錫二元合金相圖可知，Sn-6.5Zn合金組織為初生β-Sn相與共晶組織；研究表明［8-9］，稀土元素在錫鋅合金中的微量添加通常能夠起到細化晶粒、改善潤濕性能及焊點力學性能的作用。

由圖4可知，添加微量釹元素后，釬料/銅焊點界面形成了細密的圓丘狀IMC，而Sn-6.5Zn/銅焊點界面的IMC較粗大（見圖3），可見微量釹元素在Sn-6.5Zn合金中的添加能夠顯著細化界面IMC的尺寸。這是因為Sn-6.5Zn中添加微量釹元素后，釬料與銅基板間的界面反應更充分且均勻，有利于避免界面處過大尺寸Cu5Zn8相的形成。從圖4中可見，釹添加量分別為0.5%，0.1%（質量分數，下同）的兩組焊點其界面IMC尺寸及分布沒有明顯差異，說明釹添加量對其影響不大。

圖4 Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點界面IMC的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of IMC in the interface of Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints

從圖5可見，在Sn-6.5Zn合金中添加微量釹（0.1%）能夠顯著改善釬料/銅基板的結合性能，而添加量較多時（0.5%）則會導致結合性能下降。

圖5 Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點拉伸-剪切強度Fig.5 Tensile-shear strength of the Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints

圖6 Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點斷口SEM形貌及特征點EDS譜Fig.6 Fracture SEM morphology of Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints and EDS analysis of a characteristic position

拉伸-剪切試驗中，三種焊點斷裂均發生在釬料中。由圖6可以看出，Sn-6.5Zn/銅焊點形成了拋物線形剪切韌窩與等軸韌窩混合型斷口形貌，Sn-6.5Zn-0.1Nd/銅斷口主要表現為不規則的拋物線形剪切韌窩形貌，而Sn-6.5Zn-0.5Nd/銅斷口主要表現為等軸韌窩形貌；等軸韌窩形貌特征表現為撕裂棱包圍著形狀大小不均的凹坑，且在凹坑底部存在明顯的第二相粒子，由前述界面化合物的相關分析可判斷這些第二相粒子為Cu5Zn8相；EDS分析結果表明，Sn-6.5Zn-0.5Nd/銅等軸韌窩凹坑底部的第二相粒子中存在元素釹的富集。有研究表明［8］，錫鋅合金中釹含量較高時會在釬料/基板界面處富集并形成IMC NdSn3，導致釹對焊點中釬料的變質處理作用弱化，造成接頭中組織不均勻和結合強度下降。

Sn-6.5Zn-xNd/銅焊點試樣斷口分析表明，添加適量稀土元素釹能夠顯著改善釬料/銅基板界面反應的均勻化程度，有利于提高焊點結合強度；釹元素添加量過多則會導致焊點界面處稀土化合物的聚集，對結合強度明顯不利。

3 結 論

（1）在Sn-6.5Zn合金中添加微量釹具有明顯的變質作用，能夠顯著減小釬料/銅界面處Cu5Zn8相的尺寸，提高界面IMC層的致密性。

（2）加入0.1%的釹能顯著改善Sn-6.5Zn釬料/銅焊點界面反應的均勻化程度，并避免了剪切斷口中等軸形韌窩的形成，有利于提高結合強度；添加0.5%釹元素后對界面IMC尺寸與分布不會產生明顯影響，但會導致界面局部稀土化合物的聚集，對結合強度顯著不利。

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