朱 路 楊 莉 宋兵兵 劉海祥

(常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院,江蘇 常熟 215500)

納米Ag顆粒對(duì)Sn-58Bi無(wú)鉛釬料組織及焊點(diǎn)可靠性的影響

朱 路 楊 莉 宋兵兵 劉海祥

(常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院,江蘇 常熟 215500)

研究了納米Ag顆粒對(duì)Sn-58Bi釬料焊點(diǎn)微觀組織、界面金屬間化合物、鋪展性能以及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：添加Ag顆粒可以細(xì)化焊點(diǎn)組織，復(fù)合釬料的組織隨Ag顆粒含量的增加呈先細(xì)化后粗化的趨勢(shì)；Ag顆粒的添加使界面金屬間化合物的厚度增大，復(fù)合釬料的界面金屬間化合物的厚度隨Ag顆粒含量的增加而增加；Ag顆粒的添加可以改善釬料的鋪展性能，復(fù)合釬料的鋪展性能隨Ag顆粒含量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；適量Ag顆粒的添加可以改善焊點(diǎn)的拉伸性能，隨著Ag顆粒含量的增加復(fù)合釬料焊點(diǎn)的拉伸性能呈先上升后下降的趨勢(shì)；Ag的最佳添加量0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

無(wú)鉛釬料 顯微組織 界面金屬間化合物 鋪展性能 拉伸性能

0 序 言

Sn-58Bi系無(wú)鉛釬料熔點(diǎn)(139 ℃)低于傳統(tǒng)Sn-Pb釬料(183 ℃)，低熔點(diǎn)使其在低溫焊接材料和溫度敏感熱熔斷器等無(wú)鉛元器件的使用中具有很大的優(yōu)勢(shì)，所以Sn-58Bi系無(wú)鉛釬料成功應(yīng)用在通信的電子封裝行業(yè)的波峰焊及回流焊工藝中[1]。

盡管Sn-Bi釬料擁有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但凝固時(shí)容易析出粗大的脆性富Bi相，且隨著電子器件的體積和尺寸越來(lái)越小，對(duì)其可靠性的要求也日益提高，所以釬料的工藝性能和力學(xué)性能仍有待提高[2]。顆粒增強(qiáng)是改善釬料性能的有效途徑之一，景延峰等人[3]發(fā)現(xiàn)在Sn-58Bi系釬料添加適量的Al2O3可以改善釬料的潤(rùn)濕性能，釬料的拉伸性能也得到一定程度的提高。陸鳳嬌等人[4]向Sn-58Bi釬料中添加硼酸鋁，釬料組織得到細(xì)化，并抑制了粗大富Sn相的生成。黃明亮等人[5]發(fā)現(xiàn)向Sn-Bi-Ag釬料中添加適量的Cu可以降低其熔化溫度，提高其剪切強(qiáng)度。Liu等人[6]在向Sn-Bi釬料中添加Y2O3時(shí)，發(fā)現(xiàn)適量Y2O3可以改善釬料的潤(rùn)濕性能和剪切性能。李群等人[7]向Sn-Bi系釬料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%Al，釬料組織得到細(xì)化，并減緩了接頭界面IMC金屬間化合物(Intermetallic compound)的生長(zhǎng)。張宇鵬等人[8]在向Sn-58Bi中添加Sb發(fā)現(xiàn)，適量的Sb可以抑制粗大初晶相的形成，提高焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度。董文興等人[9]在向Sn-Bi釬料中添加微量稀土，釬料的組織細(xì)化，潤(rùn)濕性能和剪切強(qiáng)度都得到了提高。

文中通過向Sn-58Bi釬料添加納米Ag顆粒，對(duì)復(fù)合釬料的微觀組織及界面IMC進(jìn)行觀察與分析，對(duì)其拉伸性能進(jìn)行測(cè)試與分析，為無(wú)鉛釬料的改進(jìn)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的釬料為Sn-58Bi焊膏，基板材料為紫銅片且尺寸為25 mm×25 mm×0.2 mm，純度約99.99%。采用機(jī)械混合法在Sn-58Bi釬料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%,1.0%,2.0%和4.0%且純度為99.99%的納米Ag顆粒以制備復(fù)合釬料。

1.2 試驗(yàn)方法

采用F4N型回流焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接峰值溫度為200 ℃。采用GX51型Olympus光學(xué)顯微鏡觀察焊點(diǎn)顯微組織，并利用Image-Pro Plus 6.0軟件計(jì)算IMC的平均厚度(IMC面積除以界面長(zhǎng)度)，并采集試樣剖面圖片導(dǎo)入AutoCAD對(duì)焊點(diǎn)的鋪展高度進(jìn)行測(cè)量，鋪展系數(shù)K計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中,K為鋪展系數(shù)；H為釬料在母材表面鋪展后的高度的數(shù)值；D為與釬料體積相等的球體的直徑數(shù)值。采用DK7740線切割機(jī)切割焊點(diǎn)拉伸試樣，利用PTR1102型強(qiáng)度結(jié)合測(cè)試儀測(cè)試焊點(diǎn)力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊點(diǎn)釬縫微觀組織分析

圖1為Sn-58Bi-xAg(x= 0,0.5,1.0,2.0,4.0)復(fù)合釬料焊點(diǎn)釬縫微觀組織形貌?？梢?，Sn-58Bi的組織由粗大的富Bi相和富Sn相組成，納米Ag顆粒的加入可以細(xì)化組織，隨著Ag含量的增加，組織呈先細(xì)化后粗化的趨勢(shì)。當(dāng)添加Ag含量至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，組織最為細(xì)小。這可能是由于添加適量的Ag顆粒后增加了釬料凝固過程中的形核質(zhì)點(diǎn)從而細(xì)化晶粒，而添加過量的Ag顆粒會(huì)降低釬料的流動(dòng)性從而使Sn-58Bi復(fù)合釬料的組織粗化。

2.2 界面IMC組織觀察及分析

圖2為Sn-58Bi-xAg(x=0,0.5,1.0,2.0,4.0)復(fù)合釬料的界面IMC層形貌，圖3為Sn-58Bi-xAg(x=0,0.5,1.0,2.0,4.0)復(fù)合釬料的界面IMC層厚度。由圖2a可知，Sn-58Bi在焊后釬料基體和銅基板之間形成了金屬間化合物層Cu6Sn5和靠近Cu基板的Cu3Sn，且界面IMC的形貌為扇貝狀；隨著Ag顆粒的添加，界面IMC厚度不斷增大，當(dāng)Ag含量添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí)IMC厚度達(dá)到最大值2.62 μm，這是由于Sn和Cu基板上的Cu原子會(huì)形成Cu6Sn5，而隨著Ag含量的增加，Ag顆粒會(huì)和Cu基板上的Cu原子形成Ag3Sn，故界面IMC的厚度增大。

圖1 Sn-58Bi-xAg釬料焊點(diǎn)釬縫微觀組織

圖2 Sn-58Bi-xAg釬料焊點(diǎn)界面IMC層形貌

圖3 Sn-58Bi-xAg釬料焊點(diǎn)界面IMC層厚度

2.3 鋪展性能測(cè)試與分析

圖4為Sn-58Bi-xAg(x=0,0.5,1.0,2.0,4.0)復(fù)合釬料Ag的含量和鋪展系數(shù)的關(guān)系?？梢姡{米Ag顆粒的加入能夠提高釬料的鋪展性能，隨著Ag含量的增加，復(fù)合釬料的鋪展系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)添加Ag顆粒至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，鋪展系數(shù)達(dá)到最大值90.3%。這是因?yàn)檫m量Ag顆粒的加入能夠降低液態(tài)釬料在銅基板上的表面張力，改善釬料在銅基板上的鋪展性能，但由于液態(tài)釬料/Cu之間的界面能較大，過量的Ag顆粒會(huì)團(tuán)聚在釬料/Cu界面處，繼而增大液態(tài)釬料與銅基板的表面張力而阻礙釬料的鋪展，惡化釬料在銅基板上的潤(rùn)濕性能。

圖4 Sn-58Bi-xAg釬料Ag的含量與鋪展系數(shù)的關(guān)系

2.4 焊點(diǎn)拉伸性能測(cè)試與分析

圖5為Sn-58Bi-xAg(x=0,0.5,1.0,2.0,4.0)復(fù)合釬料焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度?？梢娺m量納米Ag顆粒的加入能夠改善焊點(diǎn)的拉伸性能。隨著Ag含量的增加，復(fù)合釬料的抗拉強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)Ag含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大，為87 MPa，較之Sn-58Bi釬料的73 MPa增大了約19.2%。這是因?yàn)殡S著適量Ag顆粒的添加，一方面Ag顆粒主要分布在晶界上，部分分布在晶內(nèi)起彌散強(qiáng)化的作用，同時(shí)對(duì)位錯(cuò)滑移或攀移起到“阻礙”作用，另一方面質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的組織最為細(xì)小，而細(xì)小的組織有利于提高焊點(diǎn)的力學(xué)性能；而當(dāng)添加Ag顆粒過量時(shí)，釬料的組織變得粗大，粗大的組織易造成應(yīng)力集中，引起裂紋在拉伸過程中的萌生和擴(kuò)展，使得抗拉強(qiáng)度降低。當(dāng)Ag的含量添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí)，復(fù)合釬料的抗拉強(qiáng)度(64 MPa)甚至低于原始Sn-58Bi釬料(73 MPa)，這是由于Sn-58Bi-4Ag的界面IMC層厚度最大，而過厚的IMC會(huì)降低焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度，使其力學(xué)性能惡化。

圖5 Sn-58Bi-xAg釬料焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度

3 結(jié) 論

(1)納米Ag顆粒的加入可以細(xì)化組織。隨著Ag顆粒的添加，復(fù)合釬料焊點(diǎn)的顯微組織呈先細(xì)化后粗化的趨勢(shì)，Sn-58Bi-0.5Ag釬料的顯微組織最為細(xì)小。

(2)納米Ag顆粒的加入可以增大界面IMC的厚度，界面IMC層形貌呈不規(guī)則貝殼狀，隨著Ag顆粒含量的增加，厚度逐漸增長(zhǎng)，Sn-58Bi-4Ag釬料的界面IMC層厚度最大(2.62 μm)。

(3)納米Ag顆粒的加入可以改善釬料的鋪展性能，隨著Ag顆粒含量的增加，復(fù)合釬料的鋪展系數(shù)呈先上升后下降的趨勢(shì)，Sn-58Bi-0.5Ag釬料的鋪展系數(shù)最大(90.3%)，鋪展性能最佳。

(4)適量納米Ag顆粒的加入可以改善釬料的拉伸性能，隨著Ag顆粒含量的增加，復(fù)合釬料的抗拉強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，Sn-58Bi-0.5Ag釬料焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度最大(87 MPa)。

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2017-04-16

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20141228)

TG40

朱 路，1992年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榻饘俨牧霞庸ぜ半娮臃庋b技術(shù)，已發(fā)表論文2篇。