微量Ag對(duì)Sn0.7Cu力學(xué)性能影響

唐 坤,閆焉服,郭曉曉,趙快樂,盛陽陽

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

0 前言

隨著環(huán)保意識(shí)提高,世界各國紛紛立法限制含鉛釬料的使用,無鉛化已成為電子產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)。近年來無鉛釬料的研究熱點(diǎn)主要集中在Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn、Sn-Bi 4種合金系上,其中Sn-Ag、Sn-Cu系釬料是目前公認(rèn)的最有可能替代SnPb釬料合金[1-5]。SnAg合金價(jià)格高,約為SnCu釬料4倍,因此企業(yè)對(duì)SnCu釬料青睞有加,尤其在波峰焊上。Hunt等人[6]研究表明:SnCu合金抗拉強(qiáng)度比SnAg和SnPb共晶釬料低,剪切強(qiáng)度與SnPb釬料相當(dāng),添加微量元素可以改善SnCu合金的性能。文獻(xiàn)[7]研究了Bi對(duì)SnCu釬料合金的影響,研究結(jié)果表明:Bi的加入可使釬料的熔點(diǎn)下降,潤濕鋪展能力提高,但同時(shí)也使釬料的電阻率增大并使釬縫金屬變脆,冷卻時(shí)易產(chǎn)生微裂紋。文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果表明:向SnCu釬料中添加微量Ag可以改進(jìn)釬料的潤濕性及熱疲勞性。本文采用合金化原理,在SnCu基體上添加微量Ag來改善其力學(xué)性能,這對(duì)于促進(jìn)SnCu釬料更廣泛應(yīng)用具有一定的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的原材料為Ag25Sn、Cu30Sn中間合金及純度為99.95%的Sn粒。將Ag25Sn、Cu30Sn、Sn粒按照表1比例進(jìn)行換算,然后用電子天平進(jìn)行稱量,并在真空度為 5×10-2Pa的非自耗真空電弧熔煉爐中熔煉,30 min后取出。為保證合金的均勻度,將合金翻轉(zhuǎn)反復(fù)熔煉 3次,取出待用。

1.2 拉伸試驗(yàn)

表1 合金配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

圖1 拉伸試樣簡圖

將釬料合金澆鑄成如圖1所示拉伸試樣。拉伸試驗(yàn)在AG-I250 kN萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,應(yīng)變速率1.0×10-3s-1,試驗(yàn)溫度 298 K。每種釬料合金均做 3個(gè)試件,取其平均值作為該釬料及釬焊接頭的強(qiáng)度。為了消除殘余應(yīng)力的影響,對(duì)拉伸試樣均進(jìn)行退火處理,退火工藝:100℃,保溫1 h。

1.3 剪切試驗(yàn)

圖2 剪切試樣簡圖

剪切強(qiáng)度試樣基材為紫銅,試樣形狀及尺寸如圖2所示。釬縫金屬的間隙為0.1mm。為了保證焊縫的間隙,在搭接接頭中間夾入兩段φ0.1 mm銅絲。剪切試驗(yàn)在AG-I250 kN萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)溫度為 298 K,應(yīng)變速率 5×10-4s-1。每種釬料合金均做 3個(gè)試件,求其平均值。為了消除殘余應(yīng)力影響,剪切試樣在試驗(yàn)前均應(yīng)進(jìn)行退火處理:100℃,保溫 1 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ag對(duì)SnCu釬料抗拉強(qiáng)度的影響

表2 不同Ag含量的SnCuXAg釬料抗拉強(qiáng)度

Ag含量對(duì)Sn0.7CuXAg釬料抗拉強(qiáng)度影響見表2。當(dāng)Ag添加量小于0.2%時(shí),隨Ag含量增加,SnCuAg釬料合金抗拉強(qiáng)度逐漸增加;當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí),釬料合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值40.8MPa,較基體釬料提高35.5%;當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.3%時(shí),SnCuAg釬料合金的抗拉強(qiáng)度較Ag含量為0.2%時(shí)降低,但仍高于基體釬料。

一般地,釬料合金的力學(xué)性能與釬料組織形態(tài)和含量有關(guān),合金中二次相的存在形態(tài)、數(shù)量以及分布情況以及晶粒大小對(duì)合金力學(xué)性能有很大影響[9-10]。

圖3和圖4分別為不同Ag含量的Sn0.7Cu微觀組織圖及能譜分析圖,可以看出:Sn0.7Cu釬料主要由灰色塊狀基體富Sn相以及呈條狀、島狀分布的Cu6Sn5中間合金組成(見圖3a)。添加Ag后, Cu6Sn5相變得細(xì)小,數(shù)量明顯增多,而且分布均勻。另外,還出現(xiàn)了點(diǎn)狀分布的金屬間化合物Ag3Sn(見圖3b)。由于條狀、島狀分布的Cu6Sn5和點(diǎn)狀分布的Ag3Sn彌散強(qiáng)化作用,因此,Sn0.7CuXAg釬料抗拉強(qiáng)度均高于基體釬料。

當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.3%時(shí),針狀的Cu6Sn5金屬間化合物尺寸增長變粗,彌散強(qiáng)化變?nèi)?如圖3c所示),在相同釬焊工藝條件下,SnCu0.3Ag釬焊金屬中氣孔較多,從而導(dǎo)致Sn0.7Cu0.3Ag釬料力學(xué)性能下降,但較基體釬料高。

2.2 Ag含量對(duì)Sn0.7Cu剪切強(qiáng)度的影響

表3 不同Ag含量的SnCuXAg釬料剪切強(qiáng)度

Ag含量對(duì)Sn0.7Cu釬料剪切強(qiáng)度的影響見表3。當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%時(shí),隨Ag含量的增加,合金的剪切強(qiáng)度逐漸增加;當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí),剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值20.8 MPa,較基體釬料提高46.5%;Ag含量繼續(xù)增加時(shí),釬料的剪切強(qiáng)度開始下降,當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí),剪切強(qiáng)度降至17.1 MPa,但仍高于基體釬料。

Ag添加可使Cu6Sn5數(shù)量增多,尺寸變小,同時(shí)Ag和Sn反應(yīng)形成Ag3Sn新相。Cu6Sn5和Ag3Sn的彌散分布對(duì)釬料產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用,因此,Sn0.7CuXAg釬料剪切強(qiáng)度均高于基體釬料。

同時(shí),金屬間化合物(IMC)的形狀和厚度也是影響釬焊接頭剪切強(qiáng)度的重要因素。金屬間化合物是一種脆性物質(zhì),金屬間化合物厚度過大,可以導(dǎo)致接頭剪切強(qiáng)度降低[11]。圖5分別為 Sn0.7Cu、Sn0.7Cu0.2Ag和Sn0.7Cu0.3Ag合金的釬焊接頭掃描面圖,由圖5可以看出:添加Ag后釬料IMC厚度均較基體釬料小,當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí),厚度最小,鋸齒形狀最規(guī)則,此時(shí)釬料的剪切強(qiáng)度最好。當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到 0.3%時(shí),金屬間化合物厚度增加,鋸齒變大,同時(shí)因添加的合金元素量過多而引起氣孔和夾雜等缺陷較多,致使接頭的剪切強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

(1)Sn0.7Cu釬料主要由富Sn相和條狀、島狀分布的Cu6Sn5金屬間化合物組成,添加Ag后, Cu6Sn5尺寸減小,數(shù)量增加多,同時(shí)Ag與Sn反應(yīng)生成Ag3Sn相,Cu6Sn5和Ag3Sn彌散分布于釬料中,提高釬料的力學(xué)性能,當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.2%時(shí),Cu6Sn5開始長大,釬縫金屬中氣孔增多。(2)Ag的添加可以減小接頭界面金屬間化合物厚度,改善界面金屬間化合物形態(tài)。與基體相比,SnCuXAg釬料抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都有所提高,當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.2%時(shí),合金釬料的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都達(dá)到最大,抗拉強(qiáng)度達(dá)到40.8 MPa,較基體釬料提高35.5%,剪切強(qiáng)度達(dá)到20.8 MPa,較基體釬料增加46.5%。(3)當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí),會(huì)引起彌散相粗大,氣孔缺陷增多,抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

[1] 史益平,薛松柏,王儉辛.Sn-Cu系無鉛釬料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].焊接,2007,26(4):14-15.

[2] 郭 福.無鉛釬焊技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3] 滿 華,張柯柯,楊 潔,等.微連接用無鉛釬料及稀土在釬料中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2005,26(1):10-13.

[4] Hu Z T,Xu D R.Current Status and Prospectof Lead-free Solder Alloy[J].Electronics Process Technology,2005,26(3): 125-126.

[5] Du C H,Chen F,Du Y F,et al.Investigation for Solder Ability of Sn-Cu,Sn-Ag-Cu Lead-free Solders[J].Electronic Components and Materials,2004,123(11):34-36.

[6] Glazer J.Microstructure and Mechanical Properties of Pb-free Alloys for Low-cost Electronic Assembly[J].Electron Eater, 1994,23(8):695-657.

[7] Shi Y W,Xia Z D,Lei Y P,etal.Development and Trend of Lead-free Technology for Electronic Assemb ly Manufacturing [J].Electronics Process Technology,2005,26(1):6-8.

[8] Wang J X,Xue SB,Han Z J,et al.Effects of Rare Earth Ce on Microstructures,Solderability of Sn-Ag-Cu and Sn-Cu-Ni Solders aswell as Mechanical Properties of Soldered Joints[J].Journal of Alloys and Com pounds,2007,467(7):219-220.

[9] 閆焉服,陳拂曉,朱錦紅,等.Ag顆粒含量對(duì)SnCu基復(fù)合釬料性能的影響[J].材料研究學(xué)報(bào),2006,30(5):610-611.

[10] 閆焉服,劉建平,史耀武,等.Ag和Ni顆粒對(duì)63Sn37Pb力學(xué)性能和潤濕性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào),2004,25(1): 65-66.

[11] 田 君,郝 虎,史耀武,等.SnAgCuEr系稀土無鉛釬料顯微織與性能研究[J].材料科學(xué)與工藝,2008,16(2):281-282.