中国有色金属学报

中国有色金属学报 2003,(04),1001-1004 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.04.036

稀土元素对Sn-9Zn合金润湿性的影响

赵杰 王来

大连理工大学材料工程系,大连理工大学材料工程系,大连理工大学材料工程系 大连116024 ,大连116024 ,大连116024

摘 要:

Zn的活泼性使Sn 9Zn无铅钎料的润湿性和抗氧化性很差, 在Sn 9Zn合金中加入适量混合稀土元素 (Ce, La) 可以改善其润湿性能。分别在245, 260和290℃通过润湿平衡实验对钎料的润湿性进行了研究, 并对RA, RMA, R和WWR4种不同钎剂进行了比较。结果表明:在运用活性松香钎剂时, 微量混合稀土元素可以显著提高Sn 9Zn合金润湿性;而提高钎焊温度也可以改善润湿性能。

关键词:

无铅钎料;稀土;Sn9Zn;润湿性;

中图分类号: TG425.1

作者简介:王 来 (1946) , 教授;大连理工大学材料系;电话:04114707636;Email:wangl@dlut.edu.cn;

收稿日期:2002-09-15

基金:大连市科委计划项目资助 (大科计发[2001]145);

Wetting properties of Sn-9Zn solder alloy with trace rare earth elements

Abstract:

The eutectic Sn9Zn alloy is one of the leadfree solder alloys at the present time. Since Zn is an active element in solder, the wetting and corrosion properties of Sn9Zn alloy are impaired. In order to improve the wetting behavior, trace rare earth elements were added into Sn9Zn alloy. The wetting balance tests were conducted in ambient air to reveal the wetting behavior. Several types of flux, i.e. RA, RMA, R and WWR, were used to study the wetting properties of the Sn9ZnRE alloy system at 245, 260 and 290 ℃, respectively. By using RA flux, the trace RE addition can improve the wetting behavior significantly and the increasing of the temperature can also improve the properties.

Keyword:

lead-free solder; rare earth element; Sn-9Zn; wettability;

Received: 2002-09-15

由于传统的锡铅钎料含有对人体和环境具有极大危害的铅元素, 因而迫切需要用无铅钎料来取代Sn-Pb钎料 [1,2] 。 无铅钎料合金必须具有合适的熔点, 良好的润湿性, 良好合金组织稳定性, 无腐蚀性, 而且要求原料供应充足, 能满足产业化的需要等 [3,4] 。 在当前研究的二元或多元合金中, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Ag-Cu [5] 具有较好的应用前景。 但是这些合金的熔点在216~227 ℃之间, 与Sn-37Pb钎料的183 ℃相比仍偏高, 而较高的钎焊温度会使电子元件及线路板受到损伤。 Sn-9Zn合金的共晶温度为199 ℃, 非常接近Sn-37Pb钎料熔点, 但是Zn元素具有活泼的化学性质, 使该合金抗氧化性和润湿性很差 [6] 。 McCormack等 [7] 把5%的In加入合金中, 得到了Sn-Zn-In合金, 进一步降低了熔点并改善了合金的润湿性; Suganuma等 [8,9] 研究了Sn-9Zn合金及其与Cu的钎焊接头的微观组织, 进而研究了专用的钎剂, 得到了Sn-9Zn合金的焊膏。 本文作者在Sn-9Zn合金中添加了微量混合稀土元素 (La, Ce) , 研究了微量稀土对合金润湿性的影响。

1 实验

1.1 实验材料

采用纯度为99.95%的Sn和99.999%的Zn在真空条件下熔炼Sn-9Zn, Sn-9Zn-0.05%RE, Sn-9Zn-0.1%RE合金, 混合稀土主要由Ce, La元素组成。 在500 ℃的熔炼温度下保温5 h。 润湿行为通过润湿平衡法研究, 纯度为99.9 %的薄铜片作为基片, 尺寸为15 mm×10 mm×0.2 mm, 经过打磨和抛光, 然后放入稀盐酸溶液浸泡1 min, 最后用酒精溶液清洗并吹干。 润湿性实验前, 铜片浸蘸钎剂。

1.2 润湿性实验方法

实验设备是MENISCO ST 50型润湿平衡测试仪。 通过测量润湿角θc和润湿力Fw定量测量润湿性。 图1所示为在铜片表面形成润湿角的示意图。 平衡状态时的润湿角是由界面表面张力决定的, γsf, γsl, γlf之间的关系满足Yung-Dupre [10] 方程:

图1 润湿实验中基体表面张力示意图

Fig.1 Forces on wetting test coupon

γsf=γsl+γlfcosθc (1)

式中 cosθc= (γsf-γsl) /γlf; γsf, γlfγsl分别为基体/钎剂 (substrate/flux) , 钎料/钎剂 (liquid (solder) ) /flux) 及基体/钎料 (substrate/liquid (solder) ) 的表面张力。 润湿角越小表明润湿性越好。

润湿力是由液态钎料施加在铜片上的, 其大小与钎料在铜片上的爬升高度成正比。 当铜片部分浸入时, 铜片就受到浮力和表面张力。 合力就定性地代表了润湿性能。 合力即润湿力Fw可由下式表达:

Fw=lfcosθc-ρgV (2)

式中 l为铜片的周长, γlf为钎料和钎剂之间的表面张力, θc为润湿角, ρ为钎料密度, g为重力加速度, V为浸入的体积。

润湿力和润湿时间都可以由润湿平衡法测得。 典型的润湿曲线如图2所示。 润湿时间tw是指当润湿角为90°时的时间, 对应图中B点。 润湿时间越短说明润湿性越好。 在本实验中, 铜片浸入液态钎料的深度为3 mm, 保持时间为10 s, 浸入的速率为15 mm/s。 Sn-Zn-RE液态钎料的实验温度分别为245, 260和290 ℃; 作为对比在235 ℃对Sn-37Pb合金的润湿性也进行了研究。 每一个条件下都做了5组以上的实验来确定润湿力和润湿角。 润湿实验中用到了4种不同成分的钎剂, 分别是活性松香 (RA) 、 中性活性松香 (RMA) 、 松香 (R) 和水基白松香 (WWR) 钎剂。 这些钎剂的成分和特性列于表1。

图2 润湿力随时间的变化示意图

Fig.2 Variation of wetting force with time

2 结果与分析

2.1稀土元素对润湿性的影响

图3给出了几种钎料合金在不同温度时的润湿曲线, 钎剂为RA。 Sn-37Pb合金的钎焊温度为 235 ℃, 尽管钎焊温度低于Sn-9Zn-RE合金, 但Sn-37Pb合金得到了较大的润湿力。 Sn-9Zn合金的表面张力太大使得其润湿性很差, 其润湿力则接近0。 添加0.05 %RE及0.1%RE后Sn-9Zn-RE合金润湿力显著提高, 分别为2.5 mN和2.2 mN左右。 稀土元素改善合金润湿性可以通过其对界面张力的影响进行分析。 从图4所示的Ce-Cu二元合金相图 [11] 可知: 在低于300 ℃的钎焊温度, Ce与Cu之间固溶度很小, 而且不能生成化合物, 因而稀土元素降低钎料与铜基体之间的表面张力γsl的可能性

表1 实验中所用钎剂性能

Table 1 Details of four types of flux


Flux
Type Base Surface tension/ (N·mm-1)

A88
RA Alcohol 370

A90-7
RMA Alcohol 415

100~25
R Alcohol 445

NR330
WWR Water 425

图3 几种钎料合金的润湿曲线

Fig.3 Wetting curves of solders Sn-Zn-RE and Sn-Pb

图4 Cu-Ce二元合金相图

Fig.4 Cu-Ce binary phase diagram

很小。 但RE是活性元素, 很容易聚集在界面和表面。 在液态下, 聚集在表面的稀土元素使得合金的表面能显著降低, 也就是说, 钎料与钎剂之间的界面能γlf由于稀土元素的加入显著下降。

2.2钎焊温度和钎剂对合金润湿性的影响

图5 (a) 和 (b) 所示是在RA钎剂下, Sn-Zn-RE钎料润湿角和润湿力随钎焊温度的变化。 在图5 (a) 中, 润湿角随钎焊温度的提高而下降。 在245 ℃时, Sn-9Zn-0.05RE的润湿角约为68°, Sn-9Zn-0.1RE约为70°, 而Sn-9Zn约为83°; 而在290 ℃时, 3种合金的润湿角均有所降低, 分别约为58° , 58°和74°。 其原因是较高的温度加大了钎焊温度与熔化温度之间的温差。 Sn-9Zn合金与铜之间润湿是通过扩散形成的, 在较高的温度下, Sn和Zn原子更加活泼, 而且原子扩散速度随钎焊温度升高而加速; 另外, 钎焊温度的升高会降低γsl [12] , 而较小的γsl能够得到较好的润湿性。

图6 (a) 和 (b) 所示是在245 ℃时3种合金对4种钎剂的润湿角和润湿力。 由图可知, RA钎剂能够实现润湿, 而RMA, R以及WWR钎剂都不能使合金润湿。 在实验中使用后3种钎剂时, 液态钎料部分覆盖铜基体表面。 这表明即使在较高的钎焊温度260和290 ℃, 这3种钎剂也不能产生足够的润湿力。

3 结论

1) 在使用RA钎剂的条件下, 加入0.05%RE元素减小了润湿角, 增大了润湿力, 降低了润湿时间。 加入0.1%RE使润湿性又稍有下降, 但仍然具有较好的效果。 导致此结果的原因是稀土元素降低了液态钎料合金与铜基体之间的界面张力。 随着钎焊温度的提高, 合金的润湿性显著改善。

图5 温度对Sn-Zn-RE合金润湿角 (a) 和润湿力 (b) 的影响 (RA钎剂)

Fig.5 Variations of contact angle (a) and wetting force (b) of Sn-Zn-RE system with soldering temperature using RA flux

图6 245 ℃时不同钎剂对Sn-Zn-RE合金润湿角 (a) 和润湿力 (b) 的影响

Fig.6 Variations of contact angle (a) and wetting force (b) of Sn-Zn-RE system with four different types of flux at 245 ℃

2) 4种钎剂RA, RMA, R及WWR当中, 只有RA钎剂能够实现Sn-Zn-RE合金的润湿, 这表明对表面张力较大的钎料, 要形成良好的润湿, 使用低的表面张力的钎剂是必须的。

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