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熔体与固相之间的润湿行为及其界面相互作用的研究工作不仅在理论上具有重要的科学意义,而且广泛应用于复合材料制备和加工过程、印刷、喷涂、焊接、钎焊等工业过程中。鉴于Sn-Pb焊料中Pb的毒性,实现全面无铅化是电子行业今后不可逆转的趋势。良好的润湿性是优质焊料的重要指标,同时也可以为复合无铅焊料的开发提供必要的研究基础。本论文采用静滴法,对新型无铅焊料Sn-Bi-Cu合金、Sn-Ag-Bi合金和Sn-Ag—Cu合金,开展了润湿动力学规律及界面特性的研究,取得了以下创新性结果。
1.Sn-30Bi-0.5Cu、Sn-17Bi-0.5Cu合金与Cu、Ni基板的润湿过程均为反应性润湿,研究了铺展过程的动力学规律,即接触角和气-液-固三相线的移动变化规律。结果表明:Sn-30Bi-0.5Cu在Cu、Ni上铺展时的接触角随时间的变化均是按照指数方式衰减,并且平衡接触角随着温度的升高而单调减小。在一定温度范围内,De Gennes铺展模型来拟合实验结果符合较好,但是高温下不符合。Sn-17Bi-0.5Cu在Ni基板上的接触角随着温度的升高而单调减小,而在Cu基板上的接触角随温度的升高没有单调减小。研究了Sn-17Bi-0.5Cu/Cu三相界面,并用三相界面平衡的界面张力关系式分析了三相界面平衡关系,符合较好。523K下Sn-17Bi-0.5Cu对Ni基板的铺展过程采用De Gennes铺展模型符合较好,673K下的铺展过程较好的符合线性铺展规律,属于化学反应控制的铺展过程,因此,提出了铺展过程中界面化合物随着铺展而变化的经验模型。经EPMA和EDS能谱分析,Sn-30Bi-0.5Cu、Sn-17Bi-0.5Cu与Cu的界面产物是由靠近焊料一侧扇贝形状的Cu6Sn5及靠近Cu侧的层状的Cu3Sn所组成的双层金属间化合物。Sn-30Bi-0.5Cu/Ni、Sn-17Bi-0.5Cu/Ni的界面产物均是由靠近焊料侧的(Cu,Ni)6Sn5及靠近基板侧的Ni3Sn4组成的双层金属间化合物,并且金属间化合物的形貌随着焊料与基板的中心距离的不同而变化。比较二者在Cu、Ni基板上的铺展过程发现,Bi的添加有利于提高流动性,但是Bi含量从30％减到17％,流动性并没有明显的差别。从界面来看,由于Bi没有参加界面反应而在金属间界面化合物的边缘富集,Bi的脆性很容易使得焊料合金与基板脱离,导致焊接失效,故Bi的添加量不宜过多。在473～823K温度范围内,高纯石墨基板上测量了Sn-30Bi-0.5Cu、Sn-17Bi-0.5Cu表面张力,其变化规律是随温度升高而减小。比较了Sn-30Bi-0.5Cu、Sn-17Bi-0.5Cu合金在Cu、Ni、不锈钢、石英以及高纯石墨基板上的平衡接触角随着温度的变化趋势,得到了不同温度下合金与基板的液固界面能。
2.Sn-3.5Ag对Cu基板的润湿过程为反应性润湿,接触角随着温度的升高先减小到了673K时反而增大。Sn-3.5Ag熔体与基板Cu之间的界面产物是由Cu6Sn5及Cu3Sn所组成。Sn-3.5Ag-xBi(x=3,5,7)中添加Bi有利于改善流动性获得更小的接触角。用三相界面平衡的界面张力关系式分析了Sn-3.5Ag/Cu三相界面,符合较好。Sn-3.5Ag对Ni基板的润湿过程也是反应性润湿,并且接触角随着温度的升高而线性减小。Sn-3.5Ag/Ni界面产物在773K温度下是由Ni3Sn4及Ni3Sn组成。在523～673K的温度范围内,Sn-3.5Ag与石英和不锈钢基板的接触角始终大于90゜,处于不润湿状态。在高纯石墨基板上测量了Sn-3.5Ag的表面张力变化规律,其值随温度升高而减小,得到了不同温度下Sn-3.5Ag与各种基板的液固界面能。
3.Sn-3.0Ag—0.5Cu与Cu、Ni基板的润湿过程为反应性润湿,接触角随温度的升高而线性减小。Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu的界面产物是由Cu6Sn5及Cu3Sn组成。用三相界面平衡的界面张力关系式分析了Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu的三相界面,符合较好。Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni界面产物是由(Cu,Ni)6Sn5及Ni3Sn4组成。(Cu,Ni)6Sn5该化合物在Sn-30Bi-0.5Cu、Sn—17Bi-0.5Cu合金与Ni基板的界面间也被检测到,虽然原合金当中Cu的质量比仅为0.5,但是,金属间界面化合物中Cu被富集,(Cu,Ni)6Sn5摩尔组成比的范围是:(15.61～23.76)Ni-(33.75～42.61)Cu-(40.85～52.83)Sn；该化合物的生成将可以大大提高焊点连接的可靠性。在503～673K温度范围内,在不锈钢基板上测量的Sn-3.0Ag-0.5Cu的表面张力值随温度升高而减小,得到了不同温度下Sn-3.0Ag-0.5Cu与各种基板的液固界面能。