7-1 抗高温蠕变的Sn-Cu基钎料合金
在众多的锡基无铅钎料合金体系中，Sn-Cu共晶系钎料由于不含银，有着优越的性价比。在国内电子制造行业中有着广泛的应用。该合金主要应用于波峰焊、浸焊以及手工焊接等工艺。
焊接接头的组织温度性差是该钎料的主要缺点之一。这严重制约了其在高可靠性电子产品上的应用。该合金的抗氧化性能较差是其另一个缺点，抗氧化性能差使得在波峰焊过程中液态钎料的出渣率增加，提高了成本。
针对该合金存在的上述问题，我们经过长时间的深入研究，采用微合金化的手段，通过添加Co、Ni、P等多种微量元素，大幅提高了Sn-Cu钎料合金组织，特别是焊接接头界面组织的高温稳定性和钎料的抗氧化能力。
研究发现，Co和Ni可以有效改变钎料/铜基板界面化合物的形态。图1（a）和（b）分别给出了传统的Sn-Cu/Cu反应界面和本专利合金SC-Co-Ni-（P）/Cu界面化合物形貌的显著差别。可以发现，微量的Co、Ni可以使界面化合物从粗大的扇贝装转变为密实的层状结构。尽管焊态下本专利合金所形成的化合物层有所增厚，但是由于界面层密实、平坦，焊接接头在受外力作用时，界面处不容易出现应力集中，因此接头的力学性能有所提高，特别是抗冲击和抗震动性能要优于扇贝装的界面结构。
最新研究发现，这种层状界面化合物还具有一个显著的优点，就是组织的高温稳定性要显著优于扇贝状界面结构，在高温老化试验中，其增长速度显著低于扇贝状的界面结构。
更为重要的是，经过对界面组织的显微分析发现，密实的层状化合物层还可以有效抑制Cu基板侧Cu3Sn化合物的形成。图2是两种界面组织在经过150度24小时时效后界面层的显微组织结构，可以看出，在扇贝状界面层下已经形成了一层连续的Cu3Sn化合物层，而在密实的层状界面层下几乎看不Cu3Sn层的出现。我们知道，Cu3Sn化合物的存在是由于在界面层处由于Sn与Cu原子扩散速度不同所形成的，它的形成往往伴随着Kenkidall 空洞的出现，这是造成接头力学性能下降，特别是抗蠕变性能下降的主要原因。在扇贝状界面层中，相邻两个扇贝状Cu6Sn5化合物之间为Sn、Cu原子的扩散提供了快速通道，因此Cu3Sn化合物层很容易形成；而在层状界面层结构中，切断了这种快速扩散通道，所以Cu3Sn化合物的形成速度大大降低。
图3是Sn-0.7Cu和SC-Co-Ni-P合金钎接Cu接头经过150度24小时高温时效后的蠕变性能测试结果。可以看出，本钎料合金的焊接接头的抗蠕变性能增加了一倍以上。同时，该合金的润湿性能也有所提高，图4是两种合金在铜表面上的润湿性试验结果。 该合金不含Pb等禁用元素，也不含Ag等贵金属材料，成本低廉，焊接工艺性能与Sn-0.7Cu钎料合金接近。可以适用于各种电子产品的封装，特别是对于需要在高温环境下长期服役的电子产品来讲，具有独特的优越性。
该合金已经申报国家发明专利，专利申请号：2009100705088
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