(1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215000； 2.常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院,江蘇 常熟 215500)

Cu/Sn-58Bi-xEr2O3/Cu釬焊接頭微觀組織和力學(xué)性能的研究

石小龍1楊莉2張堯成2王國強(qiáng)1周仕遠(yuǎn)1

(1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215000； 2.常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院,江蘇 常熟 215500)

研究了不同含量的納米Er2O3顆粒對Sn-58Bi釬料的鋪展性能、釬焊接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，添加微量的納米Er2O3顆粒細(xì)化了Sn-58Bi釬料的微觀組織、改善了Sn-58Bi釬料的鋪展性能和力學(xué)性能。當(dāng)納米Er2O3顆粒的添加量為0.075%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，Sn-58Bi復(fù)合釬料得到了最佳的鋪展性能， 比Sn-58Bi釬料的鋪展系數(shù)增大了5.1%；當(dāng)添加量為0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，Sn-58Bi釬料的組織明顯細(xì)化且到了最大的抗拉強(qiáng)度89 MPa，比Sn-58Bi共晶釬料的抗拉強(qiáng)度增大了11.5%。

錫鉍共晶釬料納米氧化鉺顆粒釬焊接頭微觀組織力學(xué)性能

0 序 言

由于Sn-Pb釬料對環(huán)境有害，目前主要研究的釬料是在Sn基中加Bi,Cu,Ag,Zn構(gòu)成的合金系。Sn-Bi釬料因具有無晶須、熔點(diǎn)低、可焊性好等優(yōu)點(diǎn)，在低溫電子封裝領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。但由于Bi的脆性大且長時(shí)間處于高溫環(huán)境中容易變粗大影響了焊點(diǎn)的可靠性。

為了提高Sn-Bi釬料性能，一種有效的方法是加入第二組元減緩Bi相的粗化。葛進(jìn)國等人[1]通過向Sn-58Bi釬料加入Ce細(xì)化了釬料的基體組織，提高了Sn-58Bi釬料的力學(xué)性能；Ma等人[2]研究了納米石墨烯片對Sn-58Bi釬料組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)納米石墨烯片細(xì)化了Sn-58Bi釬料的微觀組織，提高了Sn-58Bi釬料潤濕性和抗蠕變性能; A. k. Gain等人[3]在Sn-58Bi無鉛釬料中添加納米鎳顆粒，研究了界面IMC的生長機(jī)制，發(fā)現(xiàn)添加納米鎳顆粒減緩了IMC的長大，但在Sn-58Bi中添加 Er2O3微顆粒的研究鮮有報(bào)道。文中研究微量納米Er2O3顆粒對Sn-58Bi釬料組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

所選基體材料為Sn-58Bi(純度為99.95%)共晶焊膏，所選增強(qiáng)相為納米Er2O3顆粒(純度為99.99%)，所有材料儲存在低溫保溫箱的玻璃試管中。采用機(jī)械攪拌的方法制備Sn-58Bi-x% Er2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)x分別為0,0.025%,0.05%,0.075%,0.1%)復(fù)合釬料膏，用FA2104N電子天平稱取0.23±0.000 5 g 置于F4N回流焊爐做回流焊試驗(yàn)，用試樣鋪展系數(shù)K表征其鋪展性能，K值越大釬料的鋪展性能越好，計(jì)算公式如式(1)[4]:

(1)

式中,K為Sn-58Bi復(fù)合釬料的鋪展系數(shù)；D為與釬料體積相等的球體直徑；H為釬料在銅片上的鋪展高度。將制備好的釬料經(jīng)打磨、拋光、腐蝕(4%的硝酸酒精溶液)后用Olympus光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織和金屬間化合物(IMC)的形貌；制作Cu/Sn-58Bi-xEr2O3/Cu微型釬焊接頭如圖1所示，用PTR1102結(jié)合強(qiáng)度測試儀測試釬焊接頭抗拉強(qiáng)度。

圖1 Cu/Sn-58Bi-xEr2O3/Cu釬焊接頭

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 釬焊接頭微觀組織

圖2為Sn-58Bi-xEr2O3的微觀組織。圖2a中黑色組織為β-Sn相，白色組織為富Bi相，呈片層共晶分布。隨著納米Er2O3顆粒含量的增加，Sn-58Bi釬料的微觀組織先逐漸細(xì)化如圖2a～2c所示。Sn-58Bi共晶釬料形核的主要阻力是晶核的表面能，納米Er2O3顆粒降低了形核的表面能，Sn-58Bi共晶釬料晶核依附于納米Er2O3顆粒的固相質(zhì)點(diǎn)表面形核。凝固的過程中隨著新晶核不斷產(chǎn)生和晶粒的長大，單位體積內(nèi)Sn-58Bi-0.05Er2O3的晶粒數(shù)量比Sn-58Bi多，抑制了晶粒的進(jìn)一步長大，起到了細(xì)化晶粒的作用。繼續(xù)增加納米Er2O3顆粒，復(fù)合釬料微觀組織又逐漸變得粗大如圖2c～2e所示，納米Er2O3顆粒之間存在靜電力和庫侖力導(dǎo)致軟團(tuán)聚，細(xì)化晶粒的作用減弱，導(dǎo)致了晶粒粗化。

圖2 Sn-58Bi-xEr2O3釬料的微觀組織

2.2 釬縫中金屬間化合物的形貌

Sn-58Bi-xEr2O3復(fù)合釬料金屬間化合物(IMC)形貌如圖3所示。靠近銅片一側(cè)的金屬間化合物比較平整，靠近釬料基體的一側(cè)的金屬間化合物呈現(xiàn)凹凸不平的貝扇狀。Cu原子向釬料基體擴(kuò)散與Sn結(jié)合，以納米Er2O3顆粒為形核質(zhì)點(diǎn)形成化合物Cu6Sn5或Cu3Sn。圖4是Sn-58Bi-xEr2O3復(fù)合釬料厚金屬間化合物厚度變化曲線。金屬間化合物厚度的計(jì)算公式如式(2):

(2)

式中,LIMC為所采集圖片界面金屬間化合物的厚度；St為所采集圖片的面積；NIMC為采集圖片的像素；Nt為所采集的整張圖片的像素；Lt為所采集圖片的長度。隨著Er2O3含量的增加，金屬間化合物厚度先逐漸變厚，當(dāng)含量為0.05(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)時(shí)，厚度值最大，這是由于納米Er2O3顆粒有利于界面IMC形核，促進(jìn)了IMC向含有Er2O3的釬料基體方向的生長。當(dāng)Er2O3的含量進(jìn)一步增加時(shí)，IMC層又逐漸變薄。加入過量的納米Er2O3顆粒導(dǎo)致了團(tuán)聚不利于Cu6Sn5或Cu3Sn晶核的產(chǎn)生和生長，導(dǎo)致了金屬間化合物厚度的減小。

2.3 釬料在銅片上的鋪展性能

圖5是Sn-58Bi-xEr2O3復(fù)合釬料鋪展系數(shù)變化曲線。隨著納米Er2O3顆粒含量的增加，復(fù)合釬料的鋪展系數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)Er2O3含量為0.075(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)時(shí)，復(fù)合釬料的鋪展系數(shù)最大為82%，比Sn-58Bi釬料的鋪展系數(shù)增大了5.1%。Sn-58Bi釬料在銅片上的鋪展性能主要受γ1(銅片與空氣的界面張力)、γ2(釬料與銅片的界面張力)和γ3(釬料與空氣的界面張力)影響[5]，納米Er2O3顆粒的含量不同時(shí)，γ1與γ3大小相同(Er2O3不會被氧化，釬料基體含微量的Er2O3不影響釬料與空氣的張力)，Er2O3顆粒減小了γ2的值，改善了釬料的鋪展性能。繼續(xù)增加Er2O3的含量，鋪展性能又呈現(xiàn)惡化的趨勢。過量的納米Er2O3顆粒會增大γ2的值,從而惡化了其鋪展性能。

圖3 Sn-58Bi-xEr2O3釬焊接頭金屬間化合物形貌

圖4 Sn-58Bi-xEr2O3釬焊接頭金屬間化合物厚度

圖5 Sn-58Bi-xEr2O3釬料的鋪展系數(shù)

2.4 釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度

Cu/Sn-58Bi-xEr2O3/Cu復(fù)合釬料焊接頭的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，Sn-58Bi共晶釬料的抗拉強(qiáng)度為78 MPa,當(dāng)Er2O3含量的增加到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%和0.05%，釬料的抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提高。當(dāng)納米Er2O3顆粒的含量為0.05%時(shí)，復(fù)合釬料的抗拉強(qiáng)度最大為89 MPa，幅度為Sn-58Bi共晶釬料的11.5%。納米Er2O3顆粒細(xì)化了Sn-58Bi釬料晶粒,如圖2所示，細(xì)晶強(qiáng)化增大了復(fù)合釬料的抗拉強(qiáng)度。另外，細(xì)小的納米Er2O3顆粒進(jìn)入到了釬料晶格間隙或節(jié)點(diǎn)，造成晶格畸變增大了位錯(cuò)運(yùn)動的阻力，增強(qiáng)了釬料的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)Er2O3的含量繼續(xù)增加時(shí)，復(fù)合釬料的抗拉強(qiáng)度又逐漸惡化。這是由于過量的納米Er2O3顆粒易團(tuán)聚，增大了復(fù)合釬料的脆性，導(dǎo)致了釬料接頭力學(xué)性能的下降。

圖6 Sn-58Bi-xEr2O3釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度

3 結(jié) 論

(1)添加微量的納米Er2O3顆粒改善了Sn-58Bi釬料的鋪展性能，含量為0.075(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)時(shí)得到了最大的鋪展系數(shù)82%，相比于Sn-58共晶釬料增大了5.1%。

(2)納米Er2O3顆粒的含量為0.05(質(zhì)量分?jǐn)?shù)， %)時(shí)，Sn-58Bi復(fù)合釬料的微觀組織最為細(xì)小且得到了最佳的抗拉強(qiáng)度值89 MPa。

(3)綜合考慮Sn-58Bi-xEr2O3復(fù)合釬料的顯微組織、鋪展性能和力學(xué)性能，納米Er2O3顆粒的最佳含量為0.05～0.075(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。

[1] 葛進(jìn)國，楊 莉，宋兵兵，等. Cu/Sn-58Bi-xCe/Cu釬焊接頭基體組織和力學(xué)性能的研究[J]. 熱加工工藝, 2016，45(11)：239-241.

[2] Ma Y，Li X Z，Zhou W，et al. Reforcement of graphene nanosheets on the microstructure and properties of Sn58Bi lead-free solder[J]. Materials and Design, 2017，113: 264-272.

[3] Grain A K，Zhang L C，Growth mechanism of intermetallic compound and mechanical properties of Ni nanoparticle doped low melting temperature tin-bismuth Sn-Bi)solder[J]. Mater Electron, 2016,27: 781-794.

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2017-03-29

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2014228);國家青年基金項(xiàng)目(51505040)。

TG407

石小龍，1994年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)樾虏牧系闹苽浼凹庸ぁ?/p>