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Sn-Ag系无铅钎料研究进展

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第49卷第9期2019年9月Vol.49 No.9Sept. 2019Electric Welding Machine本文参考文献引用格式:全盛凯，张亮，熊明月，等.Sn-Ag 系无铅钎料研究进展［J ］.电焊机,2019,49(09)：6-18.Sn-Ag 系无铅钎料研究进展全盛凯张 亮23 袁熊明月2,赵 猛2(1.江苏师范大学江苏圣理工学院，江苏徐州221116;2.江苏师范大学机电工程学院，江苏 徐州221116；.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001)摘要：简述近年来国内外Sn-Ag 系无铅钎料的研究现状，着重探讨Bi 、In 、Zn 、Al 、Cu 、Ni 、Sb 等合金元素、稀土元素、纳米颗粒对Sn-Ag 系无铅钎料的润湿性能、熔化特性、力学性能、显微组织以及界面组织的影响，同时对Sn-Ag 系无铅钎料研究过程中存在的问题进行了探讨并提出相应的解决方法，为Sn-Ag 系 无铅钎料的研究提供参考。

关键词：无铅钎料;Sn-Ag 合金;综述;显微组织；力学性能中图分类号:TG425文献标志码:A 文章编号：1001-2303(2019)09-0006-13D0I ：10.7512/j.issn.1001-2303.2019.09.02Research status of Sn-Ag lead-free soldersQUAN Shengkai 1,ZHANG Liang 2,3,XIONG Mingyue 2,ZHAO Meng 2(1 .JSNU-SPBPU Institute of Engineering, Jiangsu Normal University ,Xuzhou 221116, China ;2.School of Mechat ­ronic Engineering , Jiangsu Normal University , Xuzhou 221116, China ; 3.State Key Laboratory of Advanced Weldingand Joining,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,China )Abstract ： T he investigation status of Sn-Ag lead-free solders Is reviewed comprehensively. The effects of Bi , In , Zn , Al , Cu , Ni , Sb etal rare earths and nanoparticles on the wetting properties , melting temperature , mechanical properties , microstructure and interfacialreactions are discussed. In addition , the problems in the study of Sn-Ag solders are discussed and solutions are proposed. It provides a reference for the research of Sn-Ag lead-free solder.Key words : lead-free solders ; Sn-Ag alloy ; review ; microstructure ; mechanical properties0前言Sn-Pb 钎料具有良好的润湿性、低熔点等优点，同时Sn-Pb 钎料成本较低，使得其在电子工业中得到广泛应用［1-3］o 但由于环境和健康问题,传统锡铅 钎料的使用受到了限制。

自2003年欧盟颁布WEEE和RoHS 指令以来［4-6］,研究新型无铅钎料成为近十 年来电子工业界的一项重要课题。

考虑到性能和成 本，目前研究的Sn 基无铅钎料主要有Sn-Ag,Sn ­Ag-Cu 、Sn-Zn 、Sn-Cu 、Sn-Bi 等。

Sn 基无铅钎料的力学性能较传统的Sn-Pb 钎料有所提高，同时无铅钎 料的热疲劳抗性及蠕变抗性较好,但仍有一些缺点, 例如熔化温度较高、组织中存在脆性相、可靠性较 低等［7-8］。

Sn-Ag 钎料凭借其优异的力学性能和延展性,被认为是最有前途的无铅替代品之一［9-12］。

为了进 一步提高Sn-Ag 钎料的综合性能，诸多研究者采取收稿日期：2019-04-23基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475220);中国博士后科学基金资助项目(2016M591464);江苏省“六大人才高峰”资助项目(XCL-022);江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人计划资助;先进焊接与连接国家重点实验室开放课题重点项目(AWJ-19Z04)作者简介:全盛凯(1995—)，男，在读硕士，主要从事微电子封装及可靠性的研究。

E-mail: zhangliang@ 。

通讯作者：张亮(1984—),男，教授，博士，主要从事电子封装材料与技术的研究。

E-mail ：412292422@o耘藻糟贼则^宰藻造凿灶早酝葬糟澡灶&金属材料焊接工艺性及焊材第49卷了在Sn-Ag钎料中添加Bi、Ni、In、Zn、Al、Cu等合金元素，稀土元素以及纳米颗粒的方法来改善Sn-Ag钎料的性能。

本文着重讨论添加各种元素对Sn-Ag钎料的影响，从润湿性、熔化特性、力学性能、显微组织和界面组织五个方面进行综述，为Sn-Ag系无铅钎料的研究提供参考。

1润湿性润湿性能是评价钎料性能的重要指标,钎料的润湿性是指液态钎料在母材表面铺展的能力[13-14。

闰湿时间、润湿力、润湿角以及铺展面积是评定钎料润湿性的四个常用指标。

无铅钎料与Sn-Pb钎料相比,润湿性较差。

Zang问等人采用静滴法研究了在高温条件下Cu基板上熔融Sn-3.5Ag钎料的润湿过程。

Sn-3.5Ag钎料的平均润湿角可由以下公式得到兹二兹l+0R式中兹l、r分别为左右接触角，每次实验测得三次结果，最后结果取平均值，标准偏差小于±1.1。

实验发现Sn-3.5Ag钎料的平均润湿角在温度523K、573K、623K和673K下分别为36.5。

、32.9。

、25.25。

和32.1。

,表明润湿角不随温度升高反而逐渐减小，如图1所示。

复杂温度条件对平均润湿角的影响可归因于Cu基板易溶解在液态钎料中，这阻碍了钎料的扩散。

Nayak[16]等人在微观条件下研究了电镀304SS基材上Sn-3.5Ag钎料的润湿行为。

与镀Ni的304SS基板(h=24.5)相比，涂覆Ag/Ni镀层的304SS 基板上的钎料合金表现岀更好的润湿性(h=18.73)。

这是因为涂覆Ag/Ni镀层304SS基板上的钎料合金内部存在均匀分布的IMC层，而镀Ni的304SS基板上的钎料内部存在大量的Fe-Cr-Sn IMC,抑制了钎料合金的进一步润湿，导致接触角更高。

Liu[17]等人研究发现,快速凝固的钎料组织更加细致均匀，固相线和液相线温度下降，焊点的润湿性增加了13.2%。

Kaban[18]等人研究了Sn-3.5Ag钎料在较大的温度范围内在Cu和Ni表面的润湿行为。

发现在Sn-3.5Ag钎料中添加Bi元素可以降低表面张力，同时改善钎料的润湿性能。

在Sn-Ag-Bi三元合金基础上，继续添加少量的Ge并不能令钎料的润湿性能有所改善，然而Gong[19]等发现添加1.0%的Zn可以改善Sn-Ag-Bi钎料的润湿性。

通过对比后发现,Sn-025050075010001250150017502000 140T-SA—ClT-SA-C2 120一-SA-C3SA-C4 100*»▲80讥,：604020扩散时间t/s图1钎料接触角与时间关系Fig・1Relationships between solder contact angle and timeAg-Bi钎料的润湿性能略强于Sn-Ag-In钎料。

Hu 和Xu[20]也发现了类似结论，他们将7.0%的Bi添加到Sn-3.5Ag钎料中，发现钎料的润湿性能得到明显改善。

Sebo和Stefdnik[21]在温度分别为25益,280益和320益的情况下采用静滴法研究添加9.0%的In 对Sn-3.5Ag钎料润湿性的影响，发现In的添加使Sn-3.5Ag钎料的润湿角降至36。

采用熔融纺丝工艺制备Sn-3.5Ag无铅钎料,Sn-3.5Ag钎料的润湿角为40。

Kamal[22等人添加1.5%的Zn至钎料中，导致润湿角降至32。

，在此基础上继续添加Zn，当含量达到2.0%和2.5%时发现润湿角的值几乎保持不变，这种变化可归因于Ag-Zn金属间化合物的沉淀阻碍了Sn-Zn固溶体的平面滑动。

Yoon[23等人研究了Cu和Ni的添加对Sn-3.5Ag钎料润湿性的影响，以共晶Sn-3.5Ag钎料作为参照。

钎料合金的润湿测试结果如图2所示，三种钎料合金中,Sn-3.0Ag-0.5Ni钎料的最大润湿力的值最小。

另外,Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料的润湿力略大于Sn-3.5Ag钎料，表明添加到钎料中的Cu提高了润湿力，但是添加的Ni降低了润湿力。

此外，三种钎料合金的润湿力都随润湿温度的增加而提高，润湿时间随着润湿温度的增加而降低,润湿时间排序为:Sn-3.0Ag-0.5Ni> Sn-3.5Ag〉Sn-3.0Ag-0.5Ni。

但是,Liu[24啲研究中得岀了不同的结论，研究人员发现随着Sn-3.5Ag钎料中Cu含量的增加,润湿性反而会降低。

稀土元素不仅可以有效地提高金属的性能,而且能改善合金的微观结构，因此稀土元素通常被称为金属的“维他命”叫Wang[26等人研究了混合物稀土(主要成分为La,Ce)RE对Sn-3.5Ag钎料润湿性耘藻糟贼则蚤糟宰藻造凿灶早^酝葬糟澡蚤灶藻窑7窑金属材料焊接工艺性及焊材全盛凯,等:Sn-Ag系无铅钎料研究进展第9期图2润湿性测试结果Fig・2Wetting test results的影响。

添加0.5%的RE会导致平均润湿角的值降低,最小接触角为31。

±2。

当稀土添加量超过1.0%,润湿角明显增加O RE含量为0.5%时铺展面积达到最大值。

这进一步表明在Sn-Ag钎料中添加混合稀土元素的最佳添加量为0.5%o同时说明了Sn-Ag-RE 钎料的润湿性和混合稀土添加量之间存在着明显的非线性关系。

Wu旳等人发现，添加0.25%的RE可以明显提高Sn-3.5Ag钎料的润湿力，润湿力与Sn-Pb钎料十分接近，其润湿时间为0.6so Noh［28等人研究了Sn-1.0Ag-xCe钎料的润湿性能，发现润湿力与润湿温度为正比关系，但润湿时间与润湿温度为反比关系。

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石墨烯增强Sn-Ag-Cu复合无铅钎料的设计与性能研究

石墨烯增强Sn-Ag-Cu复合无铅钎料的设计与性能研究

天津大学硕士学位论文石墨烯增强Sn-Ag-Cu复合无铅钎料的设计与性能研究Design and Property Study on a Sn-Ag-Cu Lead-free Solder Reinforced with Graphene学科专业：材料加工工程研 究 生：刘向东指导教师：徐连勇副教授天津大学材料科学与工程学院2012年12月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。

特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。

同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要在无铅钎料中，Sn-Ag-Cu系钎料因其良好的力学性能及可靠性，目前被广泛的应用。

但是，随着微/纳机电系统技术的不断进步，微电子器件不断向小型化、轻量化、功能化发展。

传统的无铅钎焊技术已经难以满足钎焊接头可靠性的要求。

因此，急需开发出一种新型无铅钎料以满足更为苛刻的服役条件。

一个可行且具有前景的解决方案就是引入强化相，制备出复合钎料。

在本研究中，采用具有超强的力学性能、热稳定性及导电性的新型二维纳米材料石墨烯作为强化相，加入传统的Sn-Ag-Cu钎料中形成复合钎料。

本文的主要工作可分为两部分。

(1)利用粉末冶金法成功制备了石墨烯纳米片（GNSs）复合无铅钎料，并测试了材料的一系列物理性能及微观组织。

电子组装用无铅钎料的研究现状及发展趋势

电子组装用无铅钎料的研究现状及发展趋势

电子组装用无铅钎料的研究现状及发展趋势1. 引言1.1 研究背景无铅钎料是一种不含铅的钎焊材料，其研发和应用主要是为了符合环保要求。

随着环保意识的提高和环境法规的日益严格，传统的含铅钎料由于铅的有害性逐渐受到约束和淘汰，无铅钎料逐渐成为钎焊领域的研究热点。

钎焊作为一种重要的连接工艺，在电子、电器、汽车等领域都有着广泛的应用。

而传统的含铅钎料在使用过程中会释放出有害的铅蒸气，对环境和人体健康造成潜在的危害。

因此，开发无铅钎料已成为相关领域的紧迫需求。

目前，国内外在无铅钎料方面的研究已经取得了一定进展，但仍存在一些问题和挑战，例如无铅钎料的焊接性能与成本之间的平衡、无铅钎料的稳定性与可靠性等方面仍需进一步改进。

因此，深入研究无铅钎料的性能、制备工艺及其在电子组装中的应用具有重要的理论和实际意义。

.1.2 研究目的本文旨在探讨电子组装用无铅钎料的研究现状及发展趋势，为相关领域的研究者提供参考和借鉴。

通过对无铅钎料的定义与特点、研究现状、在电子组装中的应用、发展趋势以及挑战与机遇等方面进行全面分析，旨在深入了解无铅钎料在电子产业中的重要性和发展潜力。

通过本文的研究，旨在为无铅钎料的进一步研究与应用提供理论支持和实践指导，推动无铅钎料在电子组装中的广泛应用，促进电子产业的可持续发展。

本文还将对未来的研究方向和实践意义进行展望，为相关领域的研究和实践提供借鉴和指导，推动无铅钎料的不断创新和进步。

1.3 研究意义研究意义是指在当前电子产业快速发展的背景下，无铅钎料作为一种环保、高效的焊接材料，具有重要的应用价值和社会意义。

首先，随着环保意识的日益增强，无铅钎料符合环保要求，可以避免传统有害铅钎料对环境和人体健康造成的危害，有助于提高电子产品的环境友好性。

其次，无铅钎料的使用可以提高电子组装的工艺稳定性和焊接质量，有利于提高电子产品的性能和可靠性，满足消费者对高品质产品的需求。

此外，无铅钎料的研究和应用也可以促进电子产业的技术革新和产业升级，推动我国电子制造业向高端技术和绿色制造转变，具有促进产业发展和经济增长的重要意义。

无铅钎料的研究现状及进展

无铅钎料的研究现状及进展

无铅钎料的研究现状及进展学院：材料科学与工程学院姓名：张晨阳班级:焊接二班学号：130********无铅钎料的研究现状及进展作者：张晨阳学号130********（佳木斯大学材料科学与工程专业）摘要：从环保概念出发，介绍了使用无铅钎料的必要性; 综述了近几年国内外无铅钎料的研究现状; 分析了无铅钎料研究必须解决的几个关键问题，并提出了解决这些问题的思路和建议.关键词：无铅钎料；现状;进展；0引言进入21世纪，环境保护已成为国家可持续发展策略的一部分。

国家信息产业部2004年2月通过了《电子信息产品污染防治管理办法》。

该办法规定自2006年7月1日起, 列入电子信息产品污染重点防治目录的电子信息产品中不得含有铅、汞、⋯⋯有毒有害物质.钎焊是电子产品制造中的关键技术。

在钎焊材料中,锡铅合金钎料的用量最大,国内年消耗量在万吨以上。

其中电子工业用量占70%～80%。

此外, 随着微电子技术的发展，对电子设备小型化、轻量化、高性能方面提出更高要求，焊点尺寸越来越小,而其承受的热、电、力载荷则越来越高。

表面组装技术清楚地说明了Sn—Pb 钎料在蠕变、热疲劳等力学性能方面的不足.国际上在电子等工业部门限制或禁止使用铅的呼声日见高涨.通用电器公司指出，60Sn-40Pb 钎料焊点存在疲劳失效现象;同时欧洲空间中心发现，无引线陶瓷芯片载体（LCCC)封装软钎焊焊点，在— 55～125℃经100周热循环，就能出现可视缺陷和电信号传输失真［1］。

欧盟已通过立法将在2008年停止使用含铅钎料，美国和日本也正积极考虑通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用。

因此,发展无铅钎料已迫在眉睫，含铅钎料的限制使用和禁止使用只是一个时间问题了。

所以，研究和开发绿色环保无铅钎料以取代Sn-Pb钎料已成为世界各国广泛关注的前沿课题。

1铅的危害在焊料的发展过程中，锡铅合金一直是最优质的、廉价的焊接材料，无论是焊接质量还是焊后的可靠性都能够达到使用要求；但是，随着人类环保意识的加强，“铅"及其化合物对人体的危害及对环境的污染，越来越被人类所重视.美国环境保护署(EPA)将铅及其化合物定性为17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一，铅右通过渗入地下水系统而进入动物或人类的食物链；在日常工作中,人体可通过皮肤吸收、呼吸、进食等吸收铅或其化合物，当这些物质在人体内达到一定量时，会影响体内蛋白质的正常合成，破坏中枢神经，造成神经和再生系统紊乱、呆滞、贫血、智力下降、高血压甚至不孕等症状；铅中毒属重金属中毒，在人体内它还有不可排泄、并且会逐渐积累的问题。

无铅钎料的开发与应用技术研究

无铅钎料的开发与应用技术研究

无铅钎料的开发与应用技术研究一、引言随着环保意识的普及和环保法规的越来越严格，对于环境友好型制造业的需求越来越强烈。

无铅钎料作为一种环保型的焊接材料，在电子、机械、建筑等领域得到了广泛的应用。

本文主要介绍无铅钎料的开发与应用技术研究。

二、无铅钎料的研发历史与技术1. 无铅钎料的发展历史无铅钎料的发展源于对环境保护的要求。

早在上世纪80年代，就有一些发达国家开始规定生产电子元件使用的钎料必须去掉含铅成分。

随着限制的加强，无铅钎料的研发和应用逐渐成为了焊接材料领域的一个热点问题。

2. 无铅钎料的技术特点①低温熔点：无铅钎料的熔点比含铅钎料低30℃左右，这有利于减少焊接温度，从而减少对元器件和电路板的损害。

②流动性好：无铅钎料的流动性好，初次布料比例好控制，这既有利于提高生产成品率，又能减少材料损耗。

③可焊性良好：无铅钎料的可焊性与含铅钎料相当，同时无铅钎料的黏合强度和疲劳寿命也较高。

④低氧化率：无铅钎料的氧化率较低，有利于减少焊接温度，提高焊接质量以及延长焊接炉的使用寿命。

三、无铅钎料的种类与应用1. 无铅钎料的种类无铅钎料的种类比较多，根据其成分分为Sn-Ag-Cu系列、Sn-Cu系列等。

其中，Sn-Ag-Cu系列占据了无铅钎料市场的主流，Sn-Cu系列则由于成本较低，被广泛运用于广告物制造、舞台工程、灯光、家电等。

2. 无铅钎料的应用无铅钎料主要应用于电子、机械、建筑等领域。

其中，①电子领域：无铅钎料被广泛应用于电子产品的生产，如计算机、手机、平板电脑等。

②机械领域：无铅钎料的应用也较为广泛，如汽车、铁路、电力行业等。

③建筑领域：无铅钎料在铜制品、铜管、空调、水暖等产品中也被广泛使用。

例如，家用冷热水管道连接及安装。

四、无铅钎料的未来发展趋势无铅钎料的发展仍然是技术创新的中心。

未来，无铅钎料的发展趋势主要是从以下几个方面进行：1. 合金新材料的研发：目前，工业界正在研制Sn-Ag-Cu体系的镉类替代者，如 In/Sn Ag/Sn系列。