铜含量对SnBi58合金性能的影响.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：铜含量对 合金性能的影响何欢，武信，秦俊虎，张欣，方舒（云南锡业新材料有限公司，云南昆明 ）摘要：以低温无铅互连中 无铅钎料合金为基础，研究了不同 含量下合金的力学性能、熔化特性、可焊性、铺展率、微观组织，以及静态焊接界面与时效界面的微观组织。结果表明：适当添加 ，可以细化合金组织，提升合金性能；当 添加量在 时，综合性能表现最优。关键词：合金；含量；合金性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；随着集成电路（）产业的不断发展，自动驾驶、通讯、技术等，不断影响着我们的生活，推进人类的进步。新型基础设施的搭建更趋向于数字化与智能化。放眼全球经济，集成电路的消费市场仅次于石油和汽车，位居前三。集成电路与芯片愈来愈小，精度愈来愈高，在这种情况下普通焊料对基板耐温的要求更严苛，低温焊料成了行业内关注的焦点 。有研究表明，在 合金中，二者无法形成化合物，而是以固溶体的形式存在的 。共晶合金 具有低熔点、低成本、无晶须、润湿性好、高强度等特点，已在国内外有较多使用 。但是，脆性大，这一特性是由它的晶格决定的，且 合金熔程大而存在凝固偏析，导致了焊点的可靠性差，含量较高时还会导致延展性差 。目前常用的 系焊料有 、，它们被应用于二次回流焊、多层板钎焊、防雷设备、焊接、热敏电子元器件、高频头等特殊元件焊接中 。由于 的价格昂贵，为了降低成本，有研究者在非共晶合金中加入 ，可有效改善其力学性能与焊点可靠性 。本研究在共晶合金中加入不同含量的 ，探究其对 合金的影响，这对 系低温合金配方的研究有一定指导意义。材料与方法 主要材料与设备材料：锡锭，云南锡业云湘矿冶有限公司；铋锭，郴州雄创有色金属有限公司；纯铜丝、纯铜，长沙湘杰金属贸易有限公司。设备：型万能材料试验机，深圳瑞格尔仪器有限公司；型差示扫描量热分析仪，；型润湿天平，深圳市衡鹏瑞和科技有限公司；型金相显微镜，；型环境试验箱，广州五所环境仪器有限公司。实验方法先将纯铜和纯锡按质量比在真空高温炉中熔炼成 中间合金，再将铋锭、锡锭、中间合金按质量比由熔点从低到高的顺序依次投入 型无铅熔锡炉中，待其完全熔化后搅拌均匀，熔化温度为 ，保温 后再次搅拌并将温度保持在 进行试样浇铸。测试方法 拉伸力学测试将合金浇铸成标准哑铃状试样拉伸棒（如图 所示），使用 型万能材料试验机测试合金的拉伸性能。在 ，条件下进行拉伸试验，拉伸速度为 。602599251610R15图 试样拉伸棒 年 月云南化工 第 卷第 期 ，熔化特性测试使用 型差示扫描量热分析仪进行合金熔化温度范围测定，保护气氛为 氮气，合金质量为 ，升温速率为 ，降温速率为 。润湿性测试使用 型润湿天平进行测定，以 的纯铜丝为焊接基材（铜丝在使用前需用 的盐酸活化去除氧化膜，再用无水乙醇清洗后干燥处理），使用 型助焊剂，焊接温度为 ，基材浸入深度 ，浸入速度 ，浸入时间 测定焊料的润湿性。铺展率测试称取 本公司研制的 型助焊剂置于 的磷脱氧铜片中央（铜片在使用前需用 的盐酸活化去除氧化膜，再用无水乙醇清洗后干燥处理），将 近似球形的合金试样放在助焊剂上，加热台设置温度 ，将铜片预热 后放在加热台上保持 完成焊接形成焊点。每个合金含量测试 个样品，测量合金的焊后高度取平均值，按公式（）（）计算铺展率。（）（）（）式中：为铺展率，；为将试样看作是球型时所对应球的直径，；为铺展后的合金高度，；为试样体积，；为试样质量，；为试样密度，使用密度天平测量。合金微观组织使用 型金相显微镜，将合金经 、的砂纸打磨后用 抛光膏进行抛光，使用含 硝酸 盐酸的甲醇溶液对合金腐蚀后进行观察。焊接界面微观组织将焊点用树脂胶镶在模具中固化，经 、的砂纸打磨后用 抛光膏进行抛光，使用含 硝酸 盐酸的甲醇溶液腐蚀后进行焊接界面观察。环境试验将焊点放在 型环境试验箱中保持恒温 、时效 后用树脂胶镶在模具中固化，经 、的砂纸打磨后用 抛光膏进行抛光，使用含 硝酸 盐酸的甲醇溶液腐蚀后进行界面观察。结果与分析 拉伸力学抗拉强度和拉伸率是评价合金性能的重要力学参数。良好的力学性能可以避免局部应力的产生而减少故障。将浇铸得到的拉伸棒 （、，表示合金中 的质量分数），在万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为 。每个成分测 次取平均值，结果如图 所示。图 铜质量分数对合金力学性能的影响从图 中看出，当铜添加量在 以内时，抗拉强度明显提升，但拉伸率迅速降低。拉伸速率迅速降低的原因是合金在受到外力作用时，在 相中产生大量的位错，而合金内部正是通过位错滑移来实现形变的传递，当位错遇到 相时会得到阻碍，不能顺利滑移而大量堆积导致对 相的割裂而产出裂纹，使脆性增强。铜添加量 时拉伸强度和拉伸率趋于平稳，但铜添加量超过 时抗拉强度迅速减小。原因是在 焊料中添加少量的 时，以颗粒状或针状的形式存在于基体中，起到细晶强化和弥散强化的作用，从而提高抗拉强度；而加入超过一定量的 则会导致 聚集长大，呈饼状或块状，根据霍尔配奇公式，大尺寸的金属间化合物 会导致其力学性能下降。熔化特性合金的熔化特性对焊接温度参数设置起决定作用，熔点是合金性能的重要参数之一。使用差示扫描量热分析仪来测定 的熔化温度范围。测试结果如表 、图 所示。年 月云南化工 第 卷第 期 ，表 铜质量分数对合金熔点的影响序号样品名称起始熔化温度 终了融化温度 熔程 图 铜质量分数对合金熔化特性的影响由表 可知，随着 质量分数的增加，合金的起始熔化温度整体呈减小的趋势，终了熔化温度呈上升的趋势，熔程增大。由图 看出，始终存在一个吸热峰，熔化特性相差不大，属于共晶反应温度范围。润湿性润湿性反映合金的上锡能力，是评价焊接性能的重要指标。使用润湿天平来测定 的润湿性。其中，润湿时间越短，上锡越快；润湿力越大，爬锡越高，其润湿性越好。结果如表 、图 所示。其中，为 润 湿 开 始 时 间，为 润 湿 结 束 时 间，为达到最大润湿力的 时需要的时间，为最大润湿力。表 铜质量分数对合金润湿性的影响序号样品名称 图 铜质量分数对合金润湿性的影响由表 和图 可知，的添加会导致合金的润湿时间呈先降低后上升的趋势；当 质量分数为 时，合金的润湿时间最短；随着 质量分数的持续升高，润湿时间明显增长。最大润湿力随 的添加呈现先增大后减小的趋势，当 质量分数为 时润湿力最大，可达到 。铺展率测试铺展率可以直观的显示出合金的焊后状态以及在母材表面上流动展开的能力，是评价焊接性能的指标之一，如表 所示。年 月云南化工 第 卷第 期 ，表 铜质量分数对合金铺展率的影响序号样品名称密度 （）铺展后的合金高度 铺展率 铺展率总体呈先上升后迅速下降的趋势：当 质量分数在 时，铺展率较优；当 质量分数超过 时，合金的流动性明显变差，焊接后焊体表面开始出现麻点，焊接性能降低；随 质量分数进一步升高，焊体光亮度逐渐降低。合金微观组织筛选出具有代表性的合金进行金相组织观察。由图（）看出，合金金相组织呈现网状锡相和铋相分离排列。在 合金中添加少量的 时，钎料内部原位生成颗粒状或针状金属间化合物 ，可以细化合金组织；而加入超过一定量的 则会导致 聚集长大，呈饼状或块状，且随 含量的提升不会打破 合金的网状组织结构。（）（）（）（）（）（）图 铜质量分数对合金微观组织的影响 年 月云南化工 第 卷第 期 ，静态焊接界面与时效界面微观组织由图（）看出，焊后的 合金呈现粗大的网状结构，而添加了 的合金呈现的网状结构要更紧密，焊接界面生成 相。随着时效实验的进行，焊接界面靠铜的一侧开始衍生出 相，之前由于高 质量分数而聚集长大在合金内部 相中也开始衍生出 相，而易脆的 相是导致焊点失效的重要原因之一。（）（）（）（）时效 （）时效 （）时效 图 铜质量分数对静态焊接界面与时效界面微观组织的影响 结论当 添加量在 以内时，合金的抗拉强度明显提升，但拉伸率迅速降低。添加量 时，拉伸强度和拉伸率趋于平稳，但超过 时的抗拉强度迅速减小。随着 质量分数的增加，合金的固相线温度降低，液相线温度升高，熔程增大，熔化特性相差不大。的添加会导致润湿时间呈先降低后上升的趋势，铺展率和最大润湿力随 的添加呈现先增大后减小的趋势。适当的 添加可以细化合金组织，提升合金性能。添加量在 时，综合性能更优。参考文献：刘平，龙郑易，顾小龙，等 低温无铅焊料 电子工艺技术，（）：徐衡，罗登俊，颜炎洪，等 微量元素添加对多元 系焊料合金组织与性能的影响 微纳电子技术，（）：李继平，卫国强 系低温无铅钎料的研究现状与展望 焊接技术，（）：马鑫，董本霞 无铅钎料发展现状 电子工艺技术，（）：王阳，胡望宇，舒小林，等 合金系低温无铅焊料的研究进展 材料导报，（）：朱晓瑞，黄琳，安正源，等 从专利角度分析锡铋合金焊料的发展趋势 中国金属通报，（）：赖忠民，游庆荣，孔幸达，等 低温无铅钎料微观组织及力学性能 江苏科技大学学报（自然科学版），（）：徐骏，胡强，林刚，等 系列低温无铅焊料及其发展趋势 电子工艺技术，（）：宁江天，李志豪 （）多元钎料与 钎料的微观组织及钎焊性能对比研究 焊接技术，（）：张富文，徐骏，胡强，等 低温无铅钎料的微观组织及其力学性能 中国有色金属学报，（）：，?：，收稿日期：作者简介：何欢（），男，江西宜春人，硕士，化工工程师，研究方向为合金焊料研究。通讯作者：方舒（），女，云南昆明人，硕士，化工工程师，研究方向为合金焊料研究。