摘要：以松香为栽体，znc1为活性荆，酒精为溶剂，乙二醇为添加荆，设计了不同钎荆配方，通过铺展性试验研究了钎剂成分对sn—zn基无铅钎料在铜上的润湿性的影响。研究结果表明：松香znc1～酒精一乙二醇钎剂的去膜作用是松香和znc1共同作用的结果，随着钎荆~znc1和松香配比的增加，钎料的铺展面积先增大后减小。钎荆中的酒精具有降低钎剂黏度的作用，酒精中的水分具有增强znc1去除金属氧化膜能力的作用，从而使钎荆具有促进钎料在铜上铺展的能力，但是钎焊过程中钎荆飞溅大。钎剂中的乙二醇具有增大钎剂黏度，减少钎荆飞溅的作用，但具有降低钎料润湿性的作用。znc1、天然松香、酒精和乙二醇进行适当配比配制的钎荆能明显改善sn—zn钎料的润湿性。.关键词：sn—zn钎料；钎剂；润湿性；松香；乙二醇；znc12中图分类号：tc425.1文献标识码：b由于sn—pb共晶基合金系列钎料的熔点低，具有对铜良好的润湿性、优良的导电性和导热性，价格低廉等特点，因此，一直是电子工业中的主导连接材料。但铅作为一种重金属可以通过皮肤渗透、呼吸系统和消化系统吸收等方式进入人体，在体内聚集而不能排出。它与体内的蛋白质强烈结合造成身体的各项功能紊乱，使神经系统和泌尿系统产生病变“]，导致儿童多动症和智力发育不完全。随着人类环保意识的增强，大范围内禁止使用含铅物质的呼声越来越高。从上世纪80年代至今，许多国家和地区性组织纷纷制订法律来限制或禁止含铅钎料在电子组装行业中的应用。欧盟于1998年颁布了《
电力电子设备废物的处理法令》即weee(wasteelectricalandelectronicequipment)，明确表明在某些电子电器设备中禁止使用铅。2o02年欧盟通过了rols(restrictiononhazardoussubstances)法令，法令规定从2006年7j]1日起，欧盟所有成员国必须保证其进入市场的电力电子产品不能含有铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯(pbb)和聚合溴化联苯乙醚(pbde)，其中铅是排在第一位的]。世界各国对推行无铅钎料纷纷表态，并积极投入无铅钎料的研制与开发。目前研究的无铅钎料大多是以sn基为主，添加一些~llag，bi，zn，cu，in和稀土等的合金元素，通过合金化来改善无铅钎料合金的性能，提高钎焊性。其中sn—zn基钎料的熔点最接近传统的sn—ph钎料，而且其成本低、力学性能优异，从而成为无铅钎料中极有前景的竞争者之一。但zn易氧化，尤其在2o0℃以上氧化迅速，从而使sn—zn基钎料在cu上的润湿性差，收稿日期：2007—01—26因而限制了它们的推广应用.也成为目前急需解决的主要问题[31。国内外许多研究人员试图通过在sn—zn合金中添加cu，bi，in以及re等元素改善sn—zn合金在铜上的润湿性，但这不仅使钎料合金的成本增加.而且使钎料的力学性能下降，钎料润湿性差的问题也没有得到根本解决l4。到目前为止，关于sn—zn基钎料专用钎剂研究的报道还较少。vaynman等基于sn的有机化合物可在钎焊温度分解出金属sn.从而可在被钎焊表面预镀sn来改善sn一8zn共晶钎料润湿性的原理，分别设计了以聚乙烯为溶剂，异丙醇为载体，乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺为活性剂，sn的有机化合物为添加剂的钎剂，进行了sn一8zn无铅钎料在铜板上的铺展性试验。试验发现，当sn的有机化合物质量分数达到15％时，钎料在cu上的润湿性可得到明显改善。然而这些钎剂有一定毒性，配制这些钎剂的原材料也难以得到。吴敏等人也设计了含snc12的有机钎剂进行了sn一9zn的润湿性研究，这类钎剂虽然对sn一9zn的润湿性有明显的改善作用，但是腐蚀性较强，钎焊后必须及时清洗。松香的主要成分为弱有机酸松香酸(c。9hcooh)，在150℃以上可以和sn.cu等金属的氧化物反应生成金属皂而去除金属氧化膜。作为钎剂其腐蚀性弱。因此松香基钎剂一直是电子工业中常用的助焊剂。znc1：在高温下可溶解金属氧化物eio,ih。陈芳等人在关于sn一3.5ago.6cu合金对铜引线的钎焊性研究中发现在松香乙醇溶液钎剂中加入质量分数为0.1％的卤素时，钎料对cu的润湿性明显提高。笔者经过前期研究工作发现，以松香和znc1：作为主要成分配制的钎剂与以snc1：和松香作为主要成分配制的钎剂相比，含znc12的钎剂对sn—zn基钎料在铜weldinechnologyvo1.36no.5oct.2007·焊接设备与材料·47上润湿性的促进作用效果更好，腐蚀性也更小。为此i)~znc1和松香作为主要原材料。研究了不同钎剂配方对sn—zn基钎料在铜上润湿性的影响。l试验材料和试验方法本研究选用的sn—zn基合金无铅钎料是sn一4zn一0.8cu一5bi0.3ce合金钎料，钎剂是以松香为载体，znc1为活性剂，酒精为溶剂，乙二醇为添加剂配制而成的。铺展性试验的基板采用50mm50mm1mm无氧纯铜板。铺展性试验前。用24(7，400zk砂纸打磨掉铜板表面氧化膜.粗糙度在3.0左右。用酒精冲洗干净。将钎料合金切成小块去掉氧化膜.用精确度为0.1mg的sartorius—bs2105电子天平称量o.2g。将称量好的钎料放在铜板上，用滴管吸取钎剂溶液。在钎料上滴2滴，以覆盖钎料及被钎焊区域。待电阻炉的温度达到试验温度26o℃后，把放置了钎料和钎剂的铜板放入炉中进行加热，保温15min，然后取出冷却，最后用q811型求积仪测量出钎料的铺展面积。2试验结果与分析2.1w(znc1)对钎料铺展面积的影响表1是在质量分数为25.6％的松香酒精溶液中加入不同含量的znc1时，对钎料铺展面积的影响。从表1中可以看出，当w(znc1)在钎剂中的含量低，与松香的配比低时，钎料铺展面积随着w(znc1)增加而增加，当w(znc1)达到5.45％时，钎料铺展面积最大，而当w(znc1)继续增加时，钎料铺展面积反而降低。通过观察钎焊试样，发现：随着w(znc1)的增加，试样表面飞溅增大。表1钎剂~znci2含量对钎料铺展面积的影响酒精znc12钎剂型号zncljg捻裔l5与znc12在钎剂溶液铺展面积／ml松香的配比中的质量分数(％)／mm2zsj10.213651：6.83.6390zsj0313651：4：535.45140zsj30.713651：1.9412.7110在钎焊过程中，松香中的松香酸和金属氧化物反应生成金属皂和水，而znc1熔点为283oc，解潮性强，和水作用形成络合酸，可溶解金属氧化物，并具有降低液态钎料表面张力的作用，因此，znc1松香酒精溶液具有促进钎料在铜上润湿的作，用。但是znci：作钎剂时又有飞溅大的特点，所以当钎剂中w(znc1)增加时，飞溅增大。、2.2钎剂溶剂对钎料铺展面积的影响为进一步改善钎剂对钎料在铜上润湿的促进作用和减少钎焊试样表面的飞溅，固定znc1和松香的配比为1：5.67，分别以酒精、乙二醇作溶剂或以酒精作溶剂，乙二醇作添加剂，改变溶剂的量，调整znc1在钎剂中的含量来分析溶剂对钎料铺展面积的影响。可以看出。当以酒精作溶剂时，随着钎剂中酒精体积增加，znc1质量分数降低，钎料的铺展面积增大，但是试样表面的飞溅也随之增加。而以乙二醇作溶剂时，同样体积的乙二醇。钎料在铜上的铺展面积大幅度降低。钎焊试样表面仍有飞溅。但飞溅量减少，飞溅颗粒变小。~iznc1在氯化锌松香乙二醇溶液中的质量分数不超过0.85％时，钎料在钎焊试样表面完全不铺展，钎焊试样表面没有飞溅。当以酒精作溶剂，乙二醇作添加剂时，试样表面飞溅大大减少，如图1所示。从表2也可以看出，当钎剂中含有乙二醇时，随着钎剂中w(znc1)的减少。钎料的铺展面积也随着减小。(a)zs3试样(b)zs7试样图1乙二醇对钎焊试样表面飞溅的影响表2钎剂溶剂对钎料铺展面积的影响钎剂型号zncl，捻裔l5酒精／ml乙二醇，mlznc1在钎剂溶液铺展面积，g中的质量分数(％)／mmzs10.150.8553.03100zs0.150.857.52.17360zs30.150.85101.69430zs0.150.85101.24180zs50.150.85150.85不铺展zs60.150.85300.44不铺展zs70.150.8512.52.51.1100以酒精作溶剂时，一方面，随着酒精量的增加，钎剂的黏度降低，可促进钎剂在钎料表面以及在铜板上的铺展；另一方面，本试验所用酒精为分析纯无水乙醇，在钎焊时，乙醇遇热蒸发，不再对钎焊过程产生影响，但是分析纯无水乙醇中仍含有以杂质形式存在的0.3％的水。随着钎剂中酒精含量的增加，钎剂中水的含量也增加，钎剂中与水作用的znc1量也增加，形成的络合酸酸量增加，钎剂去除金属氧化膜的能力增强，所以在表2中，以酒精作溶剂时，随着钎剂中酒精的量增加，钎料在铜上的铺展面积增加。但是znc1和水作用生成的络合酸在和金属氧化物作用时易产生飞溅，因此，随着酒精含量的增加，钎焊试样表面的飞溅增大。乙二醇在常温下是无色、无臭、有甜昧的黏稠液体，易吸潮，能与酒精、丙酮等溶剂互溶。由于乙二醇为黏稠液体，用作钎剂中的溶剂时，使钎剂的黏度增大，在高温时覆盖在熔融钎料表面，使钎料表面不易氧化，减少由于znc1和钎料、基板表面金属氧化物作用导致的飞溅，虽然乙二醇易吸潮.而乙48·焊接设备与材料·焊接技术第36卷第5期2o07年l0月二醇中的水可促进znc1与金属氧化的作用，但是会增加钎料与钎剂之间的界面作用力，从而使钎料不易铺展，导致随着乙二醇含量的增加，钎料在铜基板表面的铺展面积减小。润湿性变差。23松香一znc1一酒精一乙二醇钎剂中酒精含量对钎料铺展面积的影响表3是当znc1和松香的配比为l：1.86，在质量分数为26.4％的znc1松香乙二醇溶液中加入不同量的酒精时钎料在铜上的铺展面积。从表中可以看出，随着钎剂中酒精含量的增加.钎剂中znc1的含量减少，钎料的铺展面积先增大后减小，与表2中相同酒精和乙二醇量的钎剂相比，由于znc1和松香的配比增大，znc1含量的增加，松香的含量减少，钎料的铺展面积减小。襄3酒精对钎料铺展面积的影响钎剂型号zncl2／g松香，g酒精／ml乙二醇／mlznc12~钎剂溶液铺展面积中的质量分数(％)／ram2zs】y1o35o.657.52.53.61oozs】yo.35o.65102.53.o12ozs】y3o.35o.6512.52.52.5640zsnr4o350.65152.52.24不铺展随着酒精量的增加，钎剂的黏度随之减小，有利于钎剂在钎料和铜板表面的铺展，促进了znc1：去除金属氧化膜的作用，但是当钎剂中znc1：含量也随着降低，钎剂的去膜能力也下降。因此在表3中。随着酒精含量的增加。钎料的铺展面积先增大后减小。松香一znc12酒精一乙二醇钎剂的去膜作用是松香和znc1共同作用的结果。当钎剂中znc1与松香的配比增大时，松香的含量减少，其去除氧化膜的能力也随之降低。所以，当酒精和乙二醇的量相同时，znc1与松香的配比为1：1.86钎剂与znc1与松香的配比为1：5.67钎剂相比，对应钎料在cu上的铺展面积减小。3结论(1)采用以松香为载体，znc1为活性剂，酒精与为溶剂，乙二醇为添加剂的钎剂对sn—zn基钎料具有良好的去膜效果，有效地增强了sn—zn基钎料的润湿性。(2)松香一znc1一酒精一乙二醇钎剂的去膜作用是松香和znc1，共同作用的结果，随着钎剂中znc1和松香的配比的增加，钎料的铺展面积先增加后减少。(3)松香一znc12酒精一乙二醇钎剂中的酒精具有降低钎剂黏度的作用，酒精中的水分具有增强znc1去除金属氧化膜能力的作用.从而具有促进钎料在铜上铺展的作用，但是钎焊过程中钎剂飞溅大。(4)松香一znc12酒精一乙二醇钎剂中的乙二醇具有增大钎剂黏度、减小钎剂飞溅的作用，但是具有使钎料润湿性增强的作用。参考文献：[1]mmccormacksjin.designandpropertiesofneckpb·freesolderalloys[a].in：proceedingofthe19947internationalsampeelectronicsconference[c].parsippanynj，usa：sampe，1994：394404.[2]directive2002／96／ecoftheeuropeanparliamentandofthecouncilof27january2003ontherestrictionoftheuseofcertainhay~doussubstancesinelectricalequipment[j].oficialjournaloftheeuropeanunion，l37，1923，2003.[3]龚代涛，刘晓波，王国勇.sn—zn—ag系无铅钎料焊接性能研究[j].电子工艺技术，2003，24(3)：9699.[4]iehp，yudqandwangl.effectsofbi，niadditivesonthemicrostructuresandwettingpropertiesonznculead·freealloy[c].2005internationalconferenceonasiangreenelectronics，session2，2005：96100.[5]cmlwu，dqyu，cmtlaw，eta1.thepropertieson一9znleadfreesolderalloysdopedwithtracerareearthelements[j].joumalofelectron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