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由于铅的毒性,Sn-Pb焊料已逐步为无铅焊料所取代。然而,现有的无铅焊料由于使用过程中存在氧化等缺陷,影响了焊接工艺和质量。本文以Sn-Zn和Sn-Cu两种合金系为研究对象,在Sn92n,Sn0.7Cu二元合金的基础上添加微量的合金元素,系统研究了焊料的抗氧化性能和润湿性能,并通过扫描电镜及俄歇电子能谱仪分析了焊料的表面氧化,从而探讨了合金元素改善合金抗氧化性能的机理。
本文的试验研究显示,微量Al的添加能够提高Sn92n焊料的抗氧化性能。不同温度下,相同添加量的Al对提高焊料抗氧化性的作用有所不同。250℃下添加30ppm的Al可显著改善Sn9Zn焊料的抗氧化性能。然而当反应温度升高至300℃和350℃时,60ppmAl的添加量对改善焊料抗氧化性能的效果更显著。俄歇电子能谱分析表明,Al有明显的表面富集作用,能优先于Zn氧化并生成一层致密的氧化物薄膜,该氧化膜对基体具有良好的保护作用,可以阻碍氧化的进一步进行。此外,微量Al的添加对Sn9Zn焊料的润湿性能具有明显的提高作用。250℃时,Al的合理添加量为30ppm。过厚的氧化膜会导致焊料的表面张力上升,从而降低焊料与基板之间的润湿效果。
在Sn9Zn30ppmAl基础上添加微量的Nd后,合金显示出很好的抗氧化性能,润湿性能也相应提高。俄歇电子能谱分析结果表明Nd能够在焊料表面富集。适量Nd的加入有利于Al的优先氧化,形成氧化铝保护膜,阻止了焊料中的Zn氧化,与此同时降低了焊料的表面张力,从而改善了润湿性能。
在Sn9Zn30ppmAl三元合金中加入微量Ni后,合金的抗氧化性和润湿性能能随Ni含量的不同有很大的变化。当Ni含量少时,会促进Al的优先氧化,一定程度上改善了合金的抗氧化能和润湿性能;而Ni加入量过多时,焊料的抗氧化能和润湿性能则均下降。
与Sn-Zn基焊料不同,在Sn0.7Cu焊料中添加微量Al对焊料的抗氧化性能没有明显的改善作用。然而微量Nd的添加对Sn0.7Cu焊料的抗氧化性能影响较大,且影响作用随Nd添加量不同而有所差异。在250℃温度下,当Nd含量低于80ppm时,Nd的添加降低了Sn0.7Cu焊料的抗氧化性能;而当Nd含量高于80ppm时焊料的抗氧化性能均明显得到改善。当温度提高到300℃后,Nd的适宜添加量为300ppm。
俄歇电子能谱分析结果表明,在250℃温度下,微量Nd能够在Sn0.7Cu焊料表面富集,阻止了焊料中Sn的氧化,降低氧化层厚度。然而当温度升至300℃时,Nd的加入对Sn0.7Cu焊料的抗氧化性能作用减弱。
本文的试验还表明,氧化物的存在会使焊料的表面张力升高,从而破坏焊料和基底材料的良好接触。因此焊料的润湿性能与表面氧化直接相关。