复合添加稀有、稀土元素对SnAg无铅钎料组织和性能的影响研究
摘要：长期以来，Sn-Pb 系列钎料以其价格合理、焊接稳定性较高和应用便捷等重要的优势，成为了电子制造业的中最适宜和最广泛使用的钎料。由于Pb 是有毒重金属，SnPb钎料的替代问题成为诸多研究人员关注的焦点。Sn-Ag系钎料具有较好的综合性能，但其润湿性能相比传统Sn-Pb钎料仍有明显的差距，制约了其在行业中的应用。在现有的一系列无铅钎料中，Sn-Ag-Cu 系钎料润湿性能良好，综合力学性能优异，因此 Sn-Ag-Cu系钎料具有极佳的工业应用前景。合理地复合添加一般元素 Ga 和稀土元素 Nd 对Sn-Ag-Cu 无铅钎料熔化特性、润湿性能以及基体组织具有良好的影响。本篇对无铅钎料的研究背景和研究现状进行了综述,引用了复合添加一般元素 Ga 和稀土元素 Nd 对Sn-0.3Ag-0.7Cu 无铅钎料性能的改善的结论，为毕业设计课题的研究提供思路，对所选课题的研究意义和研究内容进行了概述。
关键词：无铅钎料，Sn-Ag-Cu，Ga/Nd，润湿性能，力学性能；
- 研究背景
随着微电子封装技术的不断发展，产业对于元器件和基板之间的连接的可靠性要求也不断提升。在实现元器件和基板连接的方法中，钎焊是最为广泛使用的一类方式，其采用(或在连接过程中生成)比母材熔点低的材料(称为钎料或者焊料)，在低于母材的固相线、高于钎料液相线的焊接温度下，利用润湿与铺展作用填满缝隙，最后通过溶解和反应扩散将母材连接在一起。目前根据钎料的熔点，将使用钎料熔点低于 450°C 的钎焊称为软钎焊，使用钎料熔点高于 450°C 的钎焊称为硬钎焊，微电子电子封装和组装技术中所使用的是软钎焊[1]。
软钎焊所使用的钎料一般为 Sn 基钎料，其中传统的 Sn-Pb 钎料由于具有熔点较低、储备充足、性能优秀、成本低廉等诸多优点，被电子制造业广泛使用，但 Pb 及其化合物的毒性对环境与人体有较大的负面影响[2,3]。随着欧盟 WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment)[4]、RoHS 指令(Restriction of use of certain Hazardous Substances in EEE)[5]等政策法规相继颁布实施，电子制造业已转向无铅化封装和组装的制造体系，Sn-Pb 钎料已不能达到制造业“绿色制造”的标准。故而，开发性能优越且对环境友好的新型无铅钎料已成为电子制造业连接材料研究的热点[6]。
目前已研发出的无铅钎料中，Sn-Ag-Cu 系列钎料综合性能最佳，已在再流钎焊中得到了应用[7]。在现有的一系列无铅钎料中，Sn-Ag-Cu 系钎料润湿性能良好，综合力学性能优异，钎料中添加的Cu 元素还可一定程度上抑制基板中的 Cu 元素向钎料的溶解，从而提高焊点的可靠性，因此 Sn-Ag-Cu系钎料具有极佳的工业应用前景［8］。然而，产业推荐使用的 Sn-Ag-Cu 系钎料均为 Ag 含量较高(ge;3.0 wt.%)的Sn-Ag-Cu 钎料，研究表明[9]当钎料所含的 Ag 元素过多时，钎料组织中会生成尺寸粗大的板条状 Ag3Sn 金属间化合物，使得焊点的力学性能降低。同时，由于 Ag 价格高昂，高银 Sn-Ag-Cu 系钎料的生产成本远高于传统 Sn-Pb 钎料，因此研发具有成本低廉、性能优异的新型无铅钎料已成为了研究的热点和难点。
- 无铅钎料研究现状
2.1钎料无铅化进展
长期以来，Sn-Pb 系列钎料以其价格合理、焊接稳定性较高和应用便捷等重要的优势，成为了电子制造业的中最适宜和最广泛使用的钎料。然而 Pb 作为有毒重金属，其在电子产品废弃后很难完全处理。人在长时间接触或者吞食 Pb 及其化合物会使铅在人体内积聚，Pb 在人体会与血液中的蛋白质牢固结合，进而对人体的各项机能产生危害或者造成障碍。根据美国国家环境保护厅(EPA)对美国饮用水和地下水的水源做的调查，饮用水含 Pb 量超标(Pb 的含量标准是 1.5times;10-5 g/L)的地区有 819 个，有些地区地下水的含 Pb 量甚至超过标准规定最高含 Pb 量的 30 倍。
1997 年日本对工业用铅做了规定，其使用量与 1996 年比较必须下降 1/2，2003 年下降 1/3。1999 年美国电子制造联合会(NEMI)开始成立无铅化计划组织，同时，欧盟颁布 ROHS 和 WEEE 指令草案开始禁止铅在电子行业中的使用，其中 WEEE 将无铅化方案的实施截止期提到了 2005 年。我国信息产业部门也于 2005 年做出了相关规定，要求2006 年 7 月起国内重点监控电子产品中不能含有铅。总之，世界各国均已相继开始重视并颁布并实施了禁用铅及其化合物的相关法令，包含电子组装领域范围在内，电子行业开展“无铅化”是必然的趋势。
然而由于电子行业长久以来一直使用 Sn-Pb 系列钎料，其对行业的影响十分深刻，例如，各种钎焊工艺、钎焊设备、电子元器件电极和印刷电路板耐热性要求等都是按照Sn-Pb 系列钎料的特点所规定或配备的。故而，新型无铅钎料要替代传统的 Sn-Pb 系列钎料，首先须要符合目前钎焊的基本要求。由于一般的无铅钎料的熔点高于 Sn-Pb 系列钎料，使用无铅钎料时，关于钎焊工艺的设计等也需要做出相对应的调整。此外，要进行良好的无铅化钎焊，无铅钎料还需具备表 1.1 中的各项性能[10]。
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