微量钕对Sn-6.5Zn/铜焊点界面组织与性能的影响

赵国际

（重庆工业职业技术学院 机械工程学院，重庆401120）

0 引 言

随着钎料无铅化进程的深入和电子封装技术的发展，高性能无铅钎料的开发与应用已成为提高微连接可靠性的关键技术之一［1］。由于锡锌合金的共晶温度（198.5℃）接近传统锡铅合金的共晶温度（183℃），且材料成本低、焊接接头（焊点）力学性能优良，被认为是一种可替代传统锡铅钎料的合金［2-3］。但锌性质活泼，导致锡锌合金的铺展性与抗氧化性能较差，使锡锌合金的应用受到一定限制。目前，关于锡锌二元合金的研究主要集中在Sn-9Zn合金上［3］，而 Wei［4］和 Mahmudi［5］的研究则认为亚共晶Sn-6.5Zn合金具有更好的铺展性和结合性能，具有一定的应用前景。

在锡锌二元合金中添加一定种类和数量的合金化元素是改善钎料性能的主要方式［1-3］，而钎焊时界面反应过程中金属间化合物（IMC）的形成及其特征对焊点结合性能起着至关重要的作用。目前，关于微量稀土（RE）添加对亚共晶Sn-6.5Zn合金/铜焊点界面IMC特性影响的研究尚未见报道。为此，作者研究了微量钕对Sn-6.5Zn/铜焊点界面IMC特性及焊点剪切性能的影响，为新型锡锌系合金的研发提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验用Sn-6.5Zn-xNd（x＝0，0.1，0.5）合金钎料用纯度不小于99.9%的纯锡、纯锌、纯钕按照所需质量分数配料，并考虑锌烧损，在ZG-001型真空炉中进行两次熔炼后在钢模中浇铸而成。

取0.2g的Sn-6.5Zn-xNd钎料合金置于厚度为0.2mm的T2铜基板中央，利用市售松香焊锡膏作为钎剂覆盖钎料，在SX-12型箱式电炉中形成铺展焊点后（温度255℃，时间40s），利用体积分数为13%HNO3溶液溶解铜基板上多余的钎料，然后用无水乙醇冲洗并吹干，用TESCAN VegaⅡLMU型扫描电子显微镜（SEM）对Sn-6.5Zn-xNd合金/铜焊点界面的IMC层形貌进行观察；并利用配套的OXFORD ISIS300型能谱分析仪（EDS）进行特征位置成分分析。图1所示为焊点界面IMC形貌观察试样制备示意图。

焊点结合强度试验依照GB/T 11363-2008《钎焊接头强度试验方法》中剪切试验进行，接头试样如图2所示，Sn-6.5Zn-xNd合金钎料在轧辊机上轧制成0.1mm厚的薄带，并以板厚为3.8mm的T3纯铜为基材，松香焊锡膏作钎剂，钎焊温度255℃，时间4min。利用ANS型电子万能试验机对接头进行拉伸-剪切试验，加载速度为0.5mm·min-1，每种试样取3次平均值。并对断口进行SEM形貌观察和EDS成分分析。

图2 焊点接头试样尺寸Fig.2 Dimension of a tensile-shear joint

2 试验结果与讨论

2.1 界面微观形貌

钎料/基板焊点界面结构及IMC特性会直接影响连接的可靠性。由于基材与IMC层间热膨胀系数差异显著，会导致连接界面发生开裂［6］。液态锡锌合金与铜基板接触时会在界面处至少形成两层IMC，即在靠近铜基板侧形成一层厚度极小的CuZn层，而在靠近液态钎料侧形成Cu5Zn8层［4-7］。此外，在钎焊过程中，基板中的铜原子会穿越界面上IMC层向钎料的扩散，并在局部区域与钎料中的锌原子结合形成颗粒状Cu5Zn8相［6］。

Sn-6.5Zn/铜铺展焊点界面SEM形貌如图3所示，特征位置EDS分析结果见表1。

图3 Sn-6.5Zn/铜焊点界面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分析结果（原子分数）Tab.1 Composition of characteristic positions measured by EDS（atom） %

依据界面特征位置EDS分析结果并结合相关研究［3-7］，可以判定颗粒状IMC为Cu5Zn8（图3中A与B处），呈板状分布于铜基板上的IMC主要为CuZn（图3中C处）。液态钎料与基板接触即会发生界面反应，形成的CuZn会与钎料中的锌继续反应形成Cu5Zn8［6］；试验温度条件下，Sn-6.5Zn钎料和基板反应不够充分和均匀，导致形成与生长的Cu5Zn8尺寸较大且分布的致密性与均匀程度均较差，位向由基板指向钎料。

由锌锡二元合金相图可知，Sn-6.5Zn合金组织为初生β-Sn相与共晶组织；研究表明［8-9］，稀土元素在锡锌合金中的微量添加通常能够起到细化晶粒、改善润湿性能及焊点力学性能的作用。

由图4可知，添加微量钕元素后，钎料/铜焊点界面形成了细密的圆丘状IMC，而Sn-6.5Zn/铜焊点界面的IMC较粗大（见图3），可见微量钕元素在Sn-6.5Zn合金中的添加能够显著细化界面IMC的尺寸。这是因为Sn-6.5Zn中添加微量钕元素后，钎料与铜基板间的界面反应更充分且均匀，有利于避免界面处过大尺寸Cu5Zn8相的形成。从图4中可见，钕添加量分别为0.5%，0.1%（质量分数，下同）的两组焊点其界面IMC尺寸及分布没有明显差异，说明钕添加量对其影响不大。

图4 Sn-6.5Zn-xNd/铜焊点界面IMC的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of IMC in the interface of Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints

从图5可见，在Sn-6.5Zn合金中添加微量钕（0.1%）能够显著改善钎料/铜基板的结合性能，而添加量较多时（0.5%）则会导致结合性能下降。

图5 Sn-6.5Zn-xNd/铜焊点拉伸-剪切强度Fig.5 Tensile-shear strength of the Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints

图6 Sn-6.5Zn-xNd/铜焊点断口SEM形貌及特征点EDS谱Fig.6 Fracture SEM morphology of Sn-6.5Zn-xNd/Cu soldered joints and EDS analysis of a characteristic position

拉伸-剪切试验中，三种焊点断裂均发生在钎料中。由图6可以看出，Sn-6.5Zn/铜焊点形成了抛物线形剪切韧窝与等轴韧窝混合型断口形貌，Sn-6.5Zn-0.1Nd/铜断口主要表现为不规则的抛物线形剪切韧窝形貌，而Sn-6.5Zn-0.5Nd/铜断口主要表现为等轴韧窝形貌；等轴韧窝形貌特征表现为撕裂棱包围着形状大小不均的凹坑，且在凹坑底部存在明显的第二相粒子，由前述界面化合物的相关分析可判断这些第二相粒子为Cu5Zn8相；EDS分析结果表明，Sn-6.5Zn-0.5Nd/铜等轴韧窝凹坑底部的第二相粒子中存在元素钕的富集。有研究表明［8］，锡锌合金中钕含量较高时会在钎料/基板界面处富集并形成IMC NdSn3，导致钕对焊点中钎料的变质处理作用弱化，造成接头中组织不均匀和结合强度下降。

Sn-6.5Zn-xNd/铜焊点试样断口分析表明，添加适量稀土元素钕能够显著改善钎料/铜基板界面反应的均匀化程度，有利于提高焊点结合强度；钕元素添加量过多则会导致焊点界面处稀土化合物的聚集，对结合强度明显不利。

3 结 论

（1）在Sn-6.5Zn合金中添加微量钕具有明显的变质作用，能够显著减小钎料/铜界面处Cu5Zn8相的尺寸，提高界面IMC层的致密性。

（2）加入0.1%的钕能显著改善Sn-6.5Zn钎料/铜焊点界面反应的均匀化程度，并避免了剪切断口中等轴形韧窝的形成，有利于提高结合强度；添加0.5%钕元素后对界面IMC尺寸与分布不会产生明显影响，但会导致界面局部稀土化合物的聚集，对结合强度显著不利。

［1］周健，孙扬善，薛烽等.电子产品用无铅焊料的研究现状和趋势［J］.机械工程材料，2005，29（3）：11-13.

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