合金元素Ag含量对Sn-Ag-Cu无铅焊料焊接性能的影响

高瑞军，张宇航，康 宇，韩振峰，孙福林，钟茂山

广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院)，广东 广州 510650



合金元素Ag含量对Sn-Ag-Cu无铅焊料焊接性能的影响

高瑞军，张宇航，康 宇，韩振峰，孙福林，钟茂山

广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院)，广东 广州 510650

探讨了合金元素Ag含量对Sn-Ag-Cu无铅合金焊料熔化温度、铺展性及润湿性的影响.结果表明，随着Ag含量的增加，Sn-Ag-Cu合金焊料的熔化温度降低，铺展性和润湿性提高，当w(Ag)≤0.5%时，Sn-0.7Cu焊料与Sn-0.5Ag-0.5Cu焊料的焊接性能十分接近.

无铅焊料；熔化温度；铺展；润湿

Sn-Ag-Cu系合金因具有良好的综合性能，而被认为是最具有潜力和最接近实用化的焊料合金体系之一[1-2].但是在焊料中添加贵金属Ag，会导致材料成本大幅增加，对焊料需求企业来讲成本控制和无铅环保同样重要.作为电子行业软钎料最早研究和开发的单位广州有色金属研究院[3-5]，在保证焊料合金性能符合要求的前提下，开发出一系列Ag含量不同的Sn-Ag-Cu系无铅合金焊料，旨在满足不同应用企业对成本控制的要求.

本文选取目前常用于电子行业浸焊和波峰焊的Sn-Ag-Cu无铅合金焊料，与Sn-0.7Cu二元共晶合金焊料进行对比，探讨Ag含量对Sn-Ag-Cu无铅焊料焊接性能的影响，为企业选择合适性价比的焊料提供依据.

1 试验方法

1.1 熔炼焊料

熔炼合金焊料所用的原材料分别是纯度99.99%的锡块、银粒和无氧纯铜片，为了改善合金焊料的性能添加微量合金化元素X.在石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，熔炼过程中采用熔盐保护，熔炼温度控制在400～450 ℃.精炼好的合金在300～350 ℃浇注成所需的试样，空冷至凝固，待用.所配制的不同Ag含量的合金焊料成分及其编号列于表1.

表1 无铅合金焊料成分

Table 1 The chemical composition of lead-free solder alloy in the experiment

焊料编号成分w/%AgCuSn+X100.7余量20.50.7余量31.50.7余量43.00.7余量

1.2 熔化温度的测定

采用STA409PC差示扫描量热仪(DSC)测定合金焊料的熔化温度.均匀截取焊料约20 mg，升温速率为10 ℃/min，升温范围为30～280 ℃，试验中采用高纯氩气保护.

1.3 铺展性

按国家标准GB/T11364-2008《钎料润湿性试验方法》中的要求进行铺展性试验.试件为纯铜板，试验用合金焊料的成分如表1所列.每种焊料制成5个试样，每个试样约为0.3 g.助焊剂为广州有色金属研究院研制的无铅助焊剂NC526.将制备好的合金焊料试样置于铜板中央，滴上助焊剂，在280 ℃下恒温30 s，使焊料熔化并在铜板上铺展开，空冷.测量每种焊料的平均铺展率，以此来评价其铺展性.

铺展的焊料高度用测微计或其他适当的工具测量，根据国标GB/T11364-2008《钎料润湿性试验方法》中的规定，按式(1)计算铺展率：

(1)

式(1)中：SR—铺展率，%；H—焊料在铜板铺展后的高度，mm；D—将试验所用合金焊料看作球体时的直径，mm，D=1.24V1/3，V—试验中使用的合金焊料的质量/密度，mm3.

1.4 润湿性

按日本工业标准JIS-Z-3198(无铅钎料试验方法)测量润湿时间和润湿力.将长方形铜片以设定的速度插入到250 ℃熔融焊料槽中，当插入深度达到设定值时，试样静置一定时间后向上提起，测试完成.测量过程中，当试样端部与钎料接触并继续插入时，试样会受到浮力作用，随着焊料对母材的逐渐润湿，浮力逐渐被表面张力抵消，当合力为零时，记录的时间称为零交时间T0.随着测试的进行，合力值增大，当合力不再随时间发生变化时，此刻的润湿力为最大润湿力Fmax，设在最大润湿力Fmax2/3处的时间为爬升时间T1.

选用广州有色金属研究院研制的无铅环保助焊剂NC526进行润湿性实验.测量过程如图1所示.

图1 润湿性测试过程示意图Fig.1 The sketch of testing solder on wetting to Cu-base alloy

2 试验结果与分析

2.1 熔化温度

在相同的焊接温度下，合金焊料的熔化温度越低，其铺展性越好.换言之，合金焊料的熔点越低，焊接工艺参数越宽.对1～4号合金焊料分别测其固相线温度Ts和液相线温度Tl，计算其熔化温度范围ΔT=Tl-Ts，实验结果列于表2.

表2 试验合金焊料的熔化温度

由表2可知，在无铅合金Sn-0.7Cu焊料中加入Ag后，其Ts和Tl都低于Sn-0.7Cu焊料的Ts和Tl.随着Ag含量增加，Sn-Ag-Cu合金焊料的固相线Ts和液相线Tl呈现出下降的趋势.当w(Ag)=3.0%时，焊料的熔化温度范围ΔT为4.6 ℃，与Sn-0.7Cu合金焊料的ΔT接近.

2.2 铺展性

合金焊料与母材金属接触时，焊料能否沿母材表面铺展，取决于焊料对母材表面的附着力和焊料粒子间的内聚力.当焊料对基体金属(母材)的附着力大于焊料的内聚力时，焊料就会在基体金属表面铺展开.此时，倘若焊料合金与母材金属发生轻微的冶金物理反应，可促使合金焊料在母材表面的铺展，同时也能大大提高焊点的可靠性.但如果合金焊料与母材的反应较剧烈时，会使焊缝界面的金属间化合物增多，不利于焊料在母材上的铺展[6].

焊接时一旦合金焊料在Cu母材表面铺展，界面处就会有金属间化合物Cu6Sn5生成，这时界面反应就成为部分熔融的合金焊料与Cu6Sn5作用[7].随着时间延长，界面处不仅会迅速生成过量的Cu6Sn5，甚至还会生成脆性相Cu3Sn，此时熔融焊料还会与Cu3Sn作用.焊料对Cu的铺展性好，对金属间化合物Cu6Sn5的铺展性差，而对Cu3Sn不润湿铺展[7].合金焊料中的Ag元素在焊接时会与Sn生成金属间化合物Ag3Sn，熔融状态的Ag3Sn粒子以一定的速率随机运动.在界面附近的Ag3Sn粒子由于热运动而撞击界面，由于界面具有较高的界面能，通过吸附作用，这些粒子被界面俘获，界面能也随之降低[8].这些Ag3Sn粒子的存在将会抑制金属间化合物Cu3Sn和Cu6Sn5的过度生成，所以在焊料中加入Ag，会提高合金焊料对Cu母材的铺展性.

在Sn-0.7Cu合金焊料中添加Ag对铺展率的影响如图1所示，不同Ag含量焊料在铜板上的铺展如图2所示.由图1、图2可知，随着Ag含量的增加，焊料的铺展率逐渐提高，铺展的面积逐渐增大.

其中Sn-0.7Cu的铺展性与Sn-0.5Ag-0.5Cu十分接近，说明当w(Ag)≤0.5%时，Ag元素对合金焊料铺展性的改善效果并不明显.这给用户选择合适性价比的焊料时可提供参考.

图2 Ag含量与合金焊料在铜基体上铺展率的关系Fig.2 The relationship of Ag addition in lead-free alloy solder on spreading rate to Cu-base alloy

图3 Ag含量不同的合金焊料在铜板上的铺展Fig.3 The macrograph of soldering point on alloy to Cu-base alloy

2.3 润湿性

参考日本工业标准JEITAET-7401(表3)对润湿实验结果进行评定.评定参数有零交时间T0、润湿时间T=(T0+T1)和最大润湿力Fmax，其中Sb是衡量试验稳定性的指标，这里不做分析讨论.

表3 日本工业化JEITA ET-7401润湿性标准

Ag含量对合金焊料润湿性的影响如图4所示.由图4可知，不加Ag的Sn-0.7Cu焊料的最大润湿力最小，Fmax=3.91mN，零交时间最大，T0=0.98s,爬升时间最大，T1=0.53s，符合日本工业化JEITAET-7401润湿性标准.随着Ag含量增加，合金焊料的零交时间T0和润湿时间T逐渐缩短，最大润湿力Fmax逐渐增大.零交时间T0越短，尤其是针对线路板的焊盘，焊接时焊料润湿越快完成.爬升时间T1越短，波峰焊通孔焊接时焊料爬升并填满整个通孔就越快.最大润湿力Fmax越大，波峰焊通孔焊接中的沾锡量越多，形成的外露焊点越饱满.

图4 Ag含量与合金焊料在铜基体上润湿性的关系Fig.4 The relationship of Ag addition in lead-free alloy solder on wettability rate to Cu-base alloy

从图4中也可看到，Sn-0.7Cu的润湿行为与Sn-0.5Ag-0.5Cu十分接近，说明当w(Ag)≤0.5%时，两种合金焊料的润湿性相差无几.这也为在实际生产中，选择不同焊料制定不同的工艺参数提供依据.

3 结 论

随着Sn-Ag-Cu合金焊料中Ag含量增加，焊料的熔化温度降低，焊料的铺展率提高，润湿时间逐渐缩短，最大润湿力逐渐增大.当w(Ag)=3.0%时，焊料的融化温度范围与Sn-0.7Cu合金焊料的接近；当w(Ag)≤0.5%时，Sn-0.7Cu与Sn-0.5Ag-

0.5Cu两种合金焊料的焊接性能十分接近.这为用户选择合适性价比的合金焊料提供了依据.

[1] 卢斌，栗慧，王娟辉，等.添加微量稀土元素对Sn-Ag-Cu系无铅焊料性能的影响[J].稀有金属与硬质合金,2007,35(1):27-30.

[2] 张富文，刘静，杨福宝，等.Sn-Ag-Cu无铅焊料的发展现状及展望[J].稀有金属,2005,29(5):619-624.

[3] 赵越，杜昆，胡詠珍.无铅软钎料的研究[J].广东有色金属学报,1998,8(2):99-105.

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Effect of Ag concentration on soldering properties of Sn-Ag-Cu lead-free solder alloy

GAO Ruijun，ZHANG Yuhang，KANG Yu，HAN Zhenfeng，SUN Fulin，ZHONG Maoshan

GuangzhouResearchInstituteofNon-ferrousMetals，Guangzhou510650，China

The paper has investigated that different amount of pure Ag are added into Sn-Ag-Cu lead-free solders，and the effect on soldering properties was also discussed.The results show that Ag can improve spreadability and wettability of Cu alloy further.When 0.5% of Ag added，both Sn-0.7Cu and Sn-0.5Ag-0.5Cu solder alloys exhibited similar properties.

lead-free solder；melting point；spreadability；wettability

2015-04-23

高瑞军(1976-)，男，河北张家口人，本科.

1673-9981(2015)02-0112-04

TG11

A