文/晋云之编辑/晋云之无铅钎料(SZAAL)在铜基体上的高温反应无铅焊料工艺，主要使用SACs (Sn-Ag-Cu)和Sn-Zn共晶基合金，基于Sn-Zn共晶的焊料合金与电子产品中常用的焊料合金(如具有共晶成分的Sn-Ag和SAC基合金)相比具有竞争力。
因为它们具有较低的熔点、避免了连接中有害的晶须、更好的物理化学和机械性能以及更低的制造成本。
这些合金被证明可用于连接铝和不同的材料，尤其是铜和镍。
然而，由于目前使用的材料的缺点，对Sn-Pb合金替代品的研究仍在继续。
这就是为什么这些合金仍在优化以满足技术要求，如提供低熔点、良好的导电性和润湿性、足够的机械性能和有利的价格，是调整焊料的化学成分。
广泛使用的合金元素是，例如，银、铜、铟和铋，因此，选择了以下Sn-Zn系统的合金添加剂:Al、Ag和Li。
这些添加剂有望提高抗氧化性(Al)，增加拉伸强度，降低电阻率(银、锂)，以及增加铺展速度和润湿性(Li)。
焊接过程中的另一个问题是在液体/固体界面产生金属间化合物(IMCs)，特别将铜基底与目前使用的无铅合金一起使用导致获得包含Cu和Sn或Zn原子的IMC，IMC的存在是扩散的结果，这证实了良好的焊料/焊盘连接。
这些化合物中的一小部分可以改善热性能和机械性能，另一方面，IMCs的过度增长会导致连接开裂的严重问题。
接头的可靠性与界面IMCs的厚度相关，这些相强烈影响机械性能——它们降低接头的拉伸强度并使电性能恶化。
因此，必须了解并精确控制它们的微观结构，以获得具有所需性能的接头，与在铜上观察到的层相反。
在液态Sn-Zn/Ni基底界面处形成了单一的、相对平坦且非常薄的中间层，它的成分类似于γ-Ni5锌21阶段。
先前的实验结果表明，金属间相层在Sn-9Zn-x/Cu界面处的生长速率比在Sn-9Zn-x/Ni界面处的生长速率高得多，铜基底镀镍以减少IMCs过度形成的有害影响。
此外，Sn-Zn基合金改性的主要目的是抑制金属间化合物的生长。
出于这个原因，这项工作中显示的研究包括镍垫的IMCs生长动力学的描述，为此，样品在不同时间保持在250°C，所获得的信息将允许设置该实验焊料的实施潜力。
对于实验，使用纯锡(99.999%)、锌(99.95%)、银(99.999%)、铝(99.95%)和锂(99.95%)来产生SZAAL焊料合金，熔化程序遵循Pstru描述的程序。
其他地方描述的无柄滴(SD)方法，用于润湿实验，先前报道和开发的用于Cu垫的程序被用于Ni衬底，Ni衬底被薄的焊剂膜覆盖并被放入熔炉中。
在实验温度下，用单独的分配器将0.5 g覆盖有ALU33焊剂的SZAAL焊料引入炉中。
焊剂成分是氨乙基乙醇胺(C4H12N2o)和氟硼酸铵(NH4)。
据ISO 9454-1称，这是2.1.2型助焊剂，即有机的、水溶性的、用卤化物激活的助焊剂，几秒钟后，熔融金属落在研究的基底上，根据实验计算时间。
接下来，将样品移入冷区，用室温水冷却。
此外，在Al(T= 250°C，时间:60秒)和铜(T= 250°C，时间:1800秒)衬。
IMCs在Ni上的生长动力学通过在250℃的恒温下进行不同时间的测试来确定:5秒、20秒、1分钟、3分钟和30分钟，出于统计目的，实验的每个变体进行5次。
触角和焊料扩散面积的值，然后计算平均值，平行于IMCs生长方向切割固化样品，并准备用于扫描电子显微镜(SEM)表征，包括树脂安装、抛光和沉积薄碳膜以防止电荷积累。
使用FEI E-SEM XL30显微镜以背散射电子(BSE)模式(20 keV，WD = 10 mm)对样品的横截面进行SEM成像。
用EDX光谱仪X EDAX双子4000进行化学分析。
使用ImageJ软件从SEM图像计算IMCs的厚度。
润湿平衡试验 (WBT)在ALU33助焊剂的存在下使用Menisco ST88装置(Metronelec，France)应用于SZAAL焊料和Ni基底。
定量可焊性测试用于测量作为时间函数的熔融焊料和测试表面之间的润湿力，利用这种关系，接触角θ通过以下公式计算。
浮力和表面张力的垂直力的合力，γLV表示熔融焊料-蒸汽表面张力或焊料-焊剂界面张力，面区域中样品周长的状态，ρ是测试温度下焊料的密度，V指被测样品浸入部分的体积，以及g是重力(9.81厘米/秒2)。
为了获得在ALU33助焊剂存在下SZAAL焊料和Ni样品的接触角值，需要界面张力，就是为什么还进行了使用非湿润PFTE棒作为测试样品的测试(在这种情况下cosΘ= 1)，值为γLV对于每个研究的温度(250、275和300°C )。
用于在空气中进行的WBT实验的参数:Ni基板浸入速度为21 mm/s，浸入深度为5 mm。
基板在焊料浴中保持10 s。
接触角通过力对时间的函数计算，使用浸入3 s后的力值，润湿时间是指从与焊料表面接触到焊料与金属表面之间的接触角为90°所经过的时间，为了获得可靠的结果，每种情况下使用五个样本。
在250°C(39°)时，观察到的铜基底接触角值与目前文献中描述的锡锌共晶(SnZn)的接触角值相似 In合金。
然而，SZAAL在铜衬底上的接触角的值明显低于报道的值，这种差异可能是由于在上述工作中使用了不同的焊剂，对金属表面的脱氧效果可能不够。
对于镍基底，接触角值在43°和46°之间，这与之前报道的结果一致，AL垫(8)上的SZAAL的接触角值比Ni (43)和Cu (39)上的低几倍，并且与别处描述的值相关。
然而在电子工业中广泛接受的是，在30-40°范围内，接触角低于20°表示非常好，而40-50°表示足够湿润。
在铝基底的情况下在焊料的顶面上可以看到许多孔隙。
很可能，由于液态焊料在铝表面上相对较高的扩散速度，在润湿过程中，焊剂蒸汽被截留在焊料中。
由WBT测定的界面张力远低于由最大气泡压力(MBP)法获得的表面张力，这与在WBT法中使用降低界面张力的助熔剂有关。
此外，随着温度的升高，界面张力增加，表面张力降低。
基于平均润湿曲线从WBT实验中获得，接触角、确定润湿最大力和润湿时间，与WBT相比，通过SD方法获得的较低接触角与在该方法中使用保护气氛有关。
润湿时间随着温度的增加而减少，而在润湿最大力的情况下没有明显的相关性；在300℃的温度下，力是最大的，但是在T= 275°C，低于T= 250摄氏度。
SEM观察由于液体焊料与Ni基板的反应，在界面处形成了金属间相的晶粒，EDS结果表明Ni5锌21相位存在。
为清晰起见，EDS结果以表格形式给出，该相的晶粒随着润湿时间而生长，并且在250℃下加热1800 s后观察到该相的连续层。
这里，必须强调的是，该层最有可能在180和1800 s之间的时间间隔内形成，并且由于微观结构分析是在1800 s之后进行的。
所以很难确定该层变得连续的确切时间。
注意到了一身戎装的Ni5Zn21锌含量高于5重量时随反应时间连续生长的层。
此外，SEM图像也显示球状沉淀物，EDS分析证实它们主要由Zn和Ag组成，相当于AgZn3金属间化合物，线扫描和点EDS分析没有显示基体和界面中存在Ag。
考虑到上述情况，可以得出以下结论:所有的银都被消耗以产生AgZn3沉淀物，这一阶段提高了接头的抗拉强度。
在测试温度下不同保持时间后形成的SZAAL/Ni界面的SEM图像，确定IMC层的厚度。
然后，绘制厚度对时间的曲线图。
对于给定的数据点，应用拟合程序，发现曲线的方程为y=0,126x0,202.值得一提的是，用于SZAAL润湿Ni垫的IMC的厚度显著低于其它Sn-Zn共晶基合金。
在本研究中60秒后，厚度为0.25 μm，1800秒后，厚度为0.55 μm。
在其他报告中，对于Sn-Zn30秒后获得1米，在900秒内，观察到5米厚的IMC。
IMC厚度的如此大幅度下降可能是界面区域中的Al和Li原子的结果。
表明Al原子溶解在γ相中，取代Zn (γ-Ni5锌铝21)并聚集在Ni焊盘附近的界面处。
因此，可以推断Al阻碍了界面扩散过程，有助于IMC层厚度的减小。
可以假设锂的作用不同于铝，润湿试验是在有焊剂但没有保护气氛的情况下进行的。
因此，锂很容易形成氧化物和氮化物，因为它是一种非常活泼的元素，锂原子被吸附在镍表面的活性位点上而形成氮化物，阻止Ni衬底原子向焊料的扩散和Zn原子从液态合金向衬底的扩散。
但是NI层不连续，因此，IMC形成在Ni基板暴露于焊料的地方。
随着退火时间的延长，IMC生长并产生特征性的扇贝形与这些过程平行，Ni焊盘上的Zn原子的表面扩散甚至发生在氮化锂层之下。
随后形成连续的IMC层3到30分钟之间的退火，然而对这一现象的解释还需要进一步的研究。
研究了合金与Ni衬垫的相互作用，为了进行比较，还包括了在铜和铝基底上润湿的例子。
液态SZAAL焊料在与Cu和Ni基板相互作用时，在界面处产生中间层，该中间层主要包含γ相(Cu5锌8还有Ni5锌21)。
金属间化合物在铜垫上的生长速度比在镍垫上快得多，这些化合物降低了焊料的性能，特别是在微电子学中，如导电性和机械性能。
因此，所研究的焊料的推荐用途是与先前制备的Cu焊盘一起使用，Ni层沉积在连接面上，Al和Li合金添加剂显著降低了金属间化合物层的厚度。
然而，它们对IMCs生长动力学的影响需要充分的解释和进一步的研究，对于铝基底，随着垫的溶解观察到另一种类型的相互作用，并且没有检测到IMCs。
将润湿平衡法的结果与最大气泡压力法和座滴法进行比较，以分别确定表面/界面张力和接触角。
ALU33助熔剂的使用导致界面张力值的降低，在SD的情况下，通过使用保护性气氛，WBT的接触角比SD的更高。
结论相关研究表明向Sn-Zn共晶基合金中添加Al、Ag和Li可以提高它们的抗氧化性、拉伸强度和润湿性，此研究结果将有助于开发用于连接铝和其他材料的优化Sn-Zn共晶基合金。