時(shí)效處理對Sb改性的Sn－58Bi低溫?zé)o鉛釬料的影響＊

許 磊，張宇鵬，張宇航，易江龍，楊凱珍

（廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650）

時(shí)效處理對Sb改性的Sn－58Bi低溫?zé)o鉛釬料的影響＊

許 磊，張宇鵬，張宇航，易江龍，楊凱珍

（廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650）

為提高共晶錫鉍釬料的延展性，細(xì)化組織，制備了Sn－58BiSb釬料合金．考察了時(shí)效處理對Sn－58Bi釬料微觀組織、微量元素Sb對潤濕性能的影響．結(jié)果表明，添加微量元素Sb能提高Sn－58Bi釬料的潤濕性能．在85℃時(shí)效處理96 h條件下，粗大的塊狀Bi全部消融，呈顆粒狀態(tài)分布均勻．表明，時(shí)效處理可作為提高SnBi合金延伸性的有效手段．

Sb摻雜；微觀組織；時(shí)效處理；潤濕性能

低溫SnBi系共晶焊料具有焊點(diǎn)力學(xué)性能好，其原材料及制備成本低，可廣泛用于制作通訊設(shè)備、電器、消防、火災(zāi)報(bào)警裝置中的保險(xiǎn)絲、熔斷器等對溫度和熱敏感的組件，特別是在太陽能集熱板焊接和電子封裝方面具有廣泛的應(yīng)用前景．

由于SnBi共晶焊料的耐熱疲勞及延展性較差，使其焊接可靠性不足且加工線材困難，限制了其進(jìn)一步的推廣及應(yīng)用．因此，細(xì)化焊料組織、提高焊料延伸率成為SnBi焊料研究亟待解決的關(guān)鍵問題．近來研究發(fā)現(xiàn)，向無鉛焊料中添加微量合金元素能有效提高焊料性能．所以，有人［1－4］研究了向SnBi焊料中摻雜Sb，Cu及RE等元素后合金性能的變化情況，發(fā)現(xiàn)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3%的Sb元素能夠有效提高Sn－58Bi焊料的延展性，微量Cu元素的加入能有效阻止SnBi晶粒的長大，提高焊料導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，而適量稀土元素（Re）的加入可以改善焊料的潤濕性、細(xì)化晶粒．

本文經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，0．3% 的Sb元素的加入能夠改善合金的性能，延伸率提高7%以上，但是焊料中仍存在少量粗大枝晶和偏析現(xiàn)象，同時(shí)還考察了時(shí)效處理工藝對Sn－58Bi枝晶和偏析組織的影響，并采用潤濕平衡法研究了Sb對釬料可焊性的影響．

1 試驗(yàn)材料及方法

1．1 材 料

焊料合金所用原材料為Sn條、Bi和Sb，它們的純度均為99．99%．焊料合金熔煉在坩堝電阻爐中進(jìn)行，熔煉過程中采用木炭保護(hù)防止氧化，先將部分錫加入，待熔化后，加入Sb，保持溫度在400℃左右并進(jìn)行充分?jǐn)嚢枰员ＷCSb完全熔化，此時(shí)加入余量的Sn和Bi，充分?jǐn)嚢璞ＷC合金成分混合均勻，在300℃澆注得到棒狀樣品．所制備的各合金成分配比列于表1．

表1 釬料合金的組成成分

1．2 方 法

從各樣品上切下金相樣品，研磨拋光后用FeCl3－HCl腐蝕液腐蝕2～3s，清洗干凈，在光學(xué)顯微鏡下觀察合金組織．將棒狀試樣在箱式電阻爐中進(jìn)行時(shí)效處理，溫度為85℃，時(shí)效處理之后的樣品如上所述觀察金相組織．采用日本SAT－5100型可焊性測試儀對材料的潤濕性能進(jìn)行測試，測試溫度190℃，每組樣品進(jìn)行3組試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件參照J(rèn)IS Z 3198－4－2003標(biāo)準(zhǔn)．鋪展試驗(yàn)的試樣按 GB11364－89標(biāo)準(zhǔn)要求制備．

2 結(jié)果分析與討論

2．1 Sb對潤濕性能的影響

試驗(yàn)中采用SAT－5100型可焊性測試儀測定釬料的潤濕力及潤濕時(shí)間．將銅片豎直地浸入釬料熔體中，熔體的潤濕表現(xiàn)為在銅片表面上“爬升”，通過力傳感器記錄下銅片從開始濕潤到完成濕潤過程中所受到的浮力和各種表面張力的合力變化．通過合力與潤濕力的關(guān)系，直觀地比較不同釬料潤濕力Fmax的大小，判斷釬料在銅片表面上的潤濕性．銅片浸入深度為2 mm，浸入時(shí)間10 s，浸入速度為5 mm／s，釬料熔體的溫度為190℃，助焊劑采用自制的無鹵素助焊劑．圖1為不同Sb元素加入量對Sn－58BiSb釬料的潤濕力及潤濕時(shí)間的影響曲線．

圖1 Sn－58BiSb系釬料的潤濕性能

從圖1可以看出，隨著Sb含量的增加，釬料的潤濕力有所提高，當(dāng)Sb添加量大于0．5%時(shí)，釬料的潤濕力減少，潤濕時(shí)間增長．各合金元素在熔化溫度下表面張力分別為γ（Bi）＝0．39 N／m，γ（Sn）＝0．55 N／m和γ（Sb）＝0．38 N／m［5］．向釬料中加入Sb，顯然可以減少釬料的表面張力、提高潤濕性能，表現(xiàn)為潤濕力變大，潤濕時(shí)間減?。钱?dāng)Sb添加量繼續(xù)增大時(shí)，由于Sb對Cu的化學(xué)親和力參數(shù)大于Sn和Bi對Cu的化學(xué)親和力，化學(xué)親和力參數(shù)越大，相互作用越強(qiáng)，形成的化合物可能性越大．因此，Sb和Cu發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，束縛了液態(tài)釬料原子趨向于表面，從而使得潤濕性能下降．所以綜合考慮兩方面的因素，最佳的Sb加入量為0．3%～0．5%．

2．2 Sb對鋪展面積的影響

以釬料在母材上的鋪展面積S來表征鋪展性能．鋪展試樣按GB11364－89標(biāo)準(zhǔn)要求制備，鋪展試件為20 mm×20 nm×2 nm的紫銅片，試驗(yàn)前試樣經(jīng)砂紙打磨和化學(xué)清洗．試驗(yàn)釬料質(zhì)量為0．3 g，用電子天平稱重，偏差為±1%．首先用加熱板將釬料加熱至190℃后保溫15 s取下，用QCJ－2A型數(shù)字式求積儀測量釬料的鋪展面積．圖2為Sn－58BiSb系釬料的鋪展性．

圖2 Sn－58BiSb系釬料的鋪展性能

影響液態(tài)釬料鋪展性能的因素很多，若液態(tài)釬料中的合金元素與母材間的相互作用有利于減少其表面張力，可增大其鋪展面積．研究表明［6］，釬料合金與基板發(fā)生輕微冶金反應(yīng)，可以促進(jìn)合金在基板上的鋪展，但釬料合金與基板反應(yīng)劇烈，基板上金屬間化合物的厚度太大，則不利于釬料合金在銅片上的鋪展．

從圖2可見，Sb元素加入少量時(shí)，對釬料的鋪展性能有稍微提升的作用，當(dāng)Sb增加到0．5%時(shí)，釬料鋪展面積明顯減少．這是由于Sb的加入，促進(jìn)了液態(tài)釬料與基板的相互作用，當(dāng)Sb含量小于0．5%時(shí)，可以降低液固表面張力，從而提高鋪展性能，但當(dāng)Sb含量過高時(shí)，母材表面Cu－Sb化合物的含量過多，在潤濕試樣表面時(shí)，過多的高熔點(diǎn)不熔物Cu2Sb［6］會在試樣已潤濕表面上生成和堆積，從而阻礙釬料進(jìn)一步鋪展，使釬料的鋪展性能下降．

2．3 時(shí)效處理對Sn－58Bi0．3Sb釬料微觀組織的影響

微量元素Sb的加入能細(xì)化Sn－58Bi釬料的微觀組織及提高合金的延伸性，但釬料存在著組織粗大和偏析的現(xiàn)象［1］．為了消除Sn－58Bi0．3Sb釬料中的粗大組織及組織偏析現(xiàn)象，采用時(shí)效處理工藝，其微觀組織見圖3．

圖3 時(shí)效處理對Sn－58Bi0．3Sb顯微組織的影響

圖3（a）為Sn－58Bi0．3Sb釬料未經(jīng)過時(shí)效處理的金相組織，白色為富Bi區(qū)，是由Bi和少量Sn組成的Bi基固溶體．黑色組織為富Sn區(qū)，是Sn和少量Bi組成的Sn基固溶體．可以看出Bi有偏析現(xiàn)象，在高溫下對焊料進(jìn)行時(shí)效處理，可以通過Bi的均勻擴(kuò)散來消除或減小實(shí)際條件下晶內(nèi)成分的不均勻及偏離于平衡的組織．當(dāng)溫度85℃、時(shí)效處理24 h時(shí)（圖3（b）），可以發(fā)現(xiàn)Bi已經(jīng)有消融的跡象，時(shí)間延長到48 h時(shí)（圖3（c）），粗大塊狀的Bi繼續(xù)消融、減少．當(dāng)溫度85℃時(shí)效處理96 h時(shí)（圖3（d）），粗大塊狀的Bi完全消失，組織得到了明顯的細(xì)化．

在95℃，時(shí)效處理24h的條件下（圖3（e）），可以看出微觀組織與在85℃條件下處理48 h的微觀組織基本一致．表明，時(shí)效處理溫度的提高促進(jìn)了組織中大塊Bi的消融．?dāng)U散系數(shù)D與溫度T的關(guān)系可以用阿累尼烏斯方程來表示：

由式（1）可知，溫度稍有升高，擴(kuò)散進(jìn)程就會加速．所以，為了加速擴(kuò)散進(jìn)程，可以提高時(shí)效處理的溫度．這是由于溫度提高，原子熱激活能量增大，擴(kuò)散系數(shù)增大，原子越容易發(fā)生遷移．試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，提高時(shí)效處理溫度，則可以縮短時(shí)效時(shí)間．但是錫鉍系焊料由于受熔點(diǎn)，特別是偏析生成的低熔點(diǎn)共晶的影響，時(shí)效處理溫度不能太高．經(jīng)時(shí)效處理的焊料在長時(shí)間放置后，微觀組織并沒有發(fā)生變化，這說明時(shí)效處理可以提高焊料基體的抗熱老化性能．

3 結(jié) 論

（1）Sb元素的加入，能提高Sb58Bi焊料的濕潤力、增大鋪展面積、減少潤濕時(shí)間，當(dāng)Sb加入量為0．5%時(shí)，焊料的潤濕力及鋪展面積最大，潤濕時(shí)間最短，當(dāng)繼續(xù)提高Sb含量時(shí)，潤濕力和鋪展面積減小，潤濕時(shí)間增長．

（2）時(shí)效處理可以消除Sn58Bi釬料中的粗大結(jié)晶，細(xì)化組織．在溫度為85℃、時(shí)效處理96 h時(shí)，釬料中粗大組織消除，組織穩(wěn)定．

（3）提高時(shí)效溫度，釬料擴(kuò)散系數(shù)變大，可以減少時(shí)效時(shí)間，但溫度不宜過高．

［1］趙四勇，蔡志紅，張宇鵬，等．Sb摻雜對錫鉍近共晶釬料組織和力學(xué)性能的影響［J］．焊接技術(shù)2010，39（3）：47－51．

［2］CHEN C M ，HUANG C C．Effects of silvedoping on electromigration of eutectic SnBi solder［J］．Journal of Alloys and Compounds，2008，461：235－241．

［3］SHANG P J，LIU Z Q，LIA D X，et al．Bi－induced voids at the Cu3Sn／Cu interface in eutectic SnBi／Cu solder joints［J］．Scripta Materialia，2008，58：409－412．

［4］董文興，史耀武，雷永平，等．添加微量稀土對SnBi基無鉛釬料顯微組織和性能的影響［J］．焊接技術(shù)，2008（7）：43－46．

［5］袁章福，柯家駿，李晶．金屬及合金的表面張力［M］．北京：科學(xué)出版社，2006．

［6］閆焉服，馮麗芳，郭曉曉，等．Cu含量對Bi5Sb釬料潤濕性能和力學(xué)性能的影響［J］．中國有色金屬學(xué)報(bào)，2009，19（6）：1055－1060．

Effect of aging treatment on Sb modified Sn－58Bi low－temperature lead－free solders

XU Lei，ZHANG Yu－peng，ZHANG Yu－h(huán)ang，YI Jiang－long，YANG Kai－zhen
（Guangzhou Research Institute of Non－ferrous Metals，Guangzhou 510650，China）

To increase the elongation rate and refine the microstructure of Sn58Bi alloys，Sn58BixSb eutectic alloys were prepared．Effect of Sb content and aging treatment the key properties，such as microstructures，wettability were investigated．The test results indicated that the microstructure of the Sn－58Bi solder with adding a trace amount of Sb was better，the wettability was obviously improved when the alloys were aged at 85℃for 48 hours，moreover bismuth in nubbly shape was melt completely and distributed uniformly in grain shapes after the aging treatment，which indicated aging treatment could be a effective way to increase the extensibility of Sn58Bi alloys．

Sb doping；microstructure；aging；wettability

TG425

A

1673－9981（2010）04－0542－04

2010－10－19

廣州有色金屬研究院創(chuàng)新項(xiàng)目（1683025）；廣州有色金屬研究院博士基金（1683017）

許磊（1982—），男，山東臨沂人，碩士．