一拖（洛陽）中成機械有限公司　　溫榮　賈利

BiSbCuSnEr無鉛高溫軟釬料力學性能和顯微組織研究

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SnPb合金軟釬料的熔點低、潤濕性較好、性能優(yōu)良、成本低廉，已被廣泛應用于電子表面封裝SMT的電路板及電子元器件的釬焊封裝中。但是鉛對人體有害且污染環(huán)境，世界各國紛紛立法限制含鉛釬料的使用，釬料無鉛化已成為發(fā)展的必然趨勢。BiSb作為一種常用的研究無鉛釬料的基體，被很多研究者使用。但是，該基體較脆，強度低，在研究中一般希望通過加入Cu、Sn來改善基體性能［1］。本文以BiSbCuSn系無鉛釬料為基體，通過加入稀土Er，在保證基體合金釬料熔點（250℃～380℃）變化不大的前提下，來改善無鉛高溫軟釬料的力學性能。

BiSbCuSn系高溫無鉛軟釬料；稀土Er；力學性能；顯微組織

1　引言

在工業(yè)上，釬焊被定義為采用比母材熔化溫度低的釬料，操作溫度采用低于母材固相線而高于釬料液相線的一種焊接技術(shù)［2］。在釬焊過程中，利用釬料熔點比母材低這一特性，使釬料與母材同時受熱，母材保持固態(tài)，而釬料熔化潤濕、流動、填充兩母材之間的間隙形成接頭，從而實現(xiàn)連接。本課題在BiSbCuSn基體研究基礎(chǔ)上，通過添加稀土Er形成一種新型含稀土的無鉛高溫軟釬料。研究不同Er含量對該釬料合金抗拉強度、剪切強度及延伸率的影響，并分析Er的作用機理。

2　合金設計及性能測定

2.1合金成分設計

試驗所用的原材料為純Bi、Sb、Cu、Sn、Er，其純度都在99.5%以上。將以上原材料按表1-1中所示的比例用電子天平進行稱量配制（誤差控制在±1%以內(nèi)）。在已有的試驗研究中得知：BiSbCuSn四元釬料合金的力學性能只有在含Sn量為0.8%時，其力學性能最好。本文旨在Bi5Sb2Cu8Sn四元釬料合金基礎(chǔ)上添加稀土，來研究稀土的加入能否再將釬料合金的性能提高一些，以獲得更高性能的高溫無鉛軟鉛料。加入的稀土含量如表1-1所示。試驗中共配制五種稀土含量不同的合金各60克。

表1-1　實驗中所用釬料合金配制比例（質(zhì)量百分比）

將配制好的原材料在真空度為5×10-2Pa的非自耗真空電弧熔煉爐中熔煉，30分鐘后取出，合金需翻轉(zhuǎn)反復熔煉三次，這樣可以很好地保證合金的均勻度，得到60克紐扣狀材料取出待用。

2.2合金力學性能測定

2.2.1拉伸性能的測定

拉伸試樣尺寸如圖2-1a所示。為了保證拉伸試樣尺寸的均一，自制了專用拉伸試樣卡具，如圖2-1b。模具材料為ZA102。拉伸試樣制備過程如下：

首先，將在非自耗真空電弧熔煉爐中熔煉好的合金試樣放在坩鍋中，將其在高溫爐中再次熔化，熔化溫度約為400℃，同時將金屬模放在高溫爐中預熱，可增加合金釬料的流動性。在將金屬模放進爐子前，先在其上涂少許脫模劑，以便順利取出澆注好的合金試樣。

其次，將預熱好的金屬模取出，然后取出爐中已經(jīng)熔化好的液態(tài)合金，迅速將液態(tài)合金澆入金屬模中，放在地上空冷，隨后將試樣取出。要求澆注好的試樣不能有明顯的裂紋和氣孔。每組合金澆注3個試樣，共需澆注15個。

然后，將澆注好的試樣進行回火處理，回火工藝：100℃，保溫2h。

拉伸實驗在AG-I250KN萬能試驗機上進行，加載速率為1mm/min，測試溫度為25℃。

圖2-1　拉伸試驗試樣及模具（單位/mm）

2.2.2剪切強度的測定

釬料在實際工作環(huán)境中，承受的載荷主要是剪切應力。剪切強度試驗采用的試樣為單剪搭接接頭，母材為25mm×80mm× 3mm的紫銅板，試樣尺寸、剪切試樣專用模具圖及剪切斷面示意圖如圖2-2a、2-2b、2-2c所示。

a）剪切試樣（單位/mm）

圖2-2　剪切試樣及制備模具

剪切試樣的制備過程如下：在焊接前要對兩塊銅板接頭處進行打磨，并用酒精清洗，以便去除銅板表面氧化皮及其他雜質(zhì)。兩塊銅板同樣要在高溫爐中進行焊接，搭接長度為10mm，為了保證焊縫厚度及防止焊料外流，在銅板搭接接頭兩邊加入兩段Φ0.1mm銅絲。同時釬料盡可能在平板上鋪成0.2mm厚，并盡量制成10mm×25mm的薄板。釬焊時間可以是7～8min，取出自然空冷至室溫。為了消除殘余應力的影響，對剪切試樣應進行回火處理，回火工藝：100℃，保溫2h。

剪切試驗設備為AG-I/250KN電子拉伸實驗機，試驗溫度25℃，應變速率1mm/s。每種釬料合金均做3個試件，取其平均值作為該釬料及釬焊接頭的強度。

在剪切強度按照式2-1進行計算，其中Fmax是材料的最大剪切力。S為剪切試樣實際接觸面積，該面積可用掃描儀掃描到電腦上，用CAD軟件將其算出。然后根據(jù)公式2-1可算出材料的剪切強度τ。

式中：τ——剪切強度（MPa），F(xiàn)max——最大剪切力（kN），S——實際接觸面積（m2）

2.2.3延伸率的測定

材料的延伸率可用常規(guī)的試驗方法，即先在圖2-1所示的試棒中間細頸處畫兩段線，用游標卡尺測得該段距離記為L1，同時用卡尺在每個試棒細頸處測量三次試棒直徑，取最小的值作為該試棒的直徑，注意此時不能求其平均值。在試棒拉斷后，再用卡尺測得拉斷后該段距離記為L2，注意此時試棒斷口要對緊，保證測量的精確。延伸率計算公式為：

式中：L1——拉伸前試棒長度（mm），L2——拉伸后試棒的長度（mm），δ——材料的延伸率。

3　稀土（Er）含量對BiSbCuSnEr釬料力學性能的影響

3.1稀土含量對抗拉強度的影響

不同稀土含量的BiSbCuSbEr釬料及基體釬料的抗拉強度如圖3-1所示，可以看出：基體的抗拉強度較高為52MPa，而含稀土Er的釬料合金抗拉強度均較基體釬料稍低。在稀土含量為小于0.5%時，稀土的加入明顯地降低了釬料合金的抗拉強度，在稀土含量只有0.25%時，材料的抗拉強度只有46.1MPa。但隨著稀土的增加，材料的抗拉強度也隨之增加，當其含量達到0.5%時，材料的抗拉強度達到最好，為49.3MPa。但當稀土含量超過0.5%時，材料的抗拉強度逐漸下降，當稀土含量為1.5%時，材料的抗拉強度只有36.7MPa。

圖3-1　稀土（Er）含量對釬料拉伸強度的影響

3.3稀土含量對剪切強度和延伸率的影響

圖3-2為基體釬料的剪切強度以及不同稀土含量對BiSbCuSnEr釬料合金剪切強度的影響結(jié)果?？梢钥闯觯杭尤胂⊥梁?，合金釬料的剪切強度總體比基體的稍低，在稀土含量為0.5%時，釬料的剪切強度最高，可達到16.1MPa；當稀土含量超過0.5%時，剪切強度隨著其含量的增加而降低。

圖3-2　稀土（Er）含量對釬料剪切強度的影響

材料延伸率變化如圖3-3所示，可以看出，加入稀土后，釬料合金的延伸率下降明顯。隨著稀土的增加，延伸率又會出現(xiàn)上升趨勢，當稀土含量為1.0%時，延伸率達到最大值，但當稀土含量大于1.0%時，又會隨著稀土的增加而降低。

圖3-3　稀土（Er）含量對釬料延伸率的影響

4　結(jié)論

本文通過試驗，系統(tǒng)地研究了Er對釬料力學性能的影響，新型BiSbCuSn+稀土（Er）高溫無鉛釬料在適當加入稀土后并沒有很好地改善釬料的力學性能。合金的抗拉強度和剪切強度都稍微比BiSbCuSn基體的低，基體釬料的抗拉強度為52MPa，剪切強度為17Mpa，但當稀土的加入量等于0.5%時，釬料合金的力學性能與基體的相近，此時釬料的工藝性能和力學性能較好。

［1］馬鑫，董本霞.無鉛釬料發(fā)展現(xiàn)狀.電子工藝技術(shù)，2002，23（2）：46-50

［2］張啟運，莊鴻壽.釬焊手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1999：4-6