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      Sb,Bi元素對Sn-22Sb高溫釬料合金組織的影響

      2014-09-26 12:33:54甘樹德甘貴生王濤杜長華李宏博
      精密成形工程 2014年3期
      關(guān)鍵詞:共析無鉛基合金

      甘樹德,甘貴生,王濤,杜長華,李宏博

      (1.重慶理工大學材料科學與工程學院,重慶 400054;2.長江師范學院機械與電器工程學院,重慶 408100;3.攀枝花材料工程學院,四川 攀枝花 617000)

      傳統(tǒng)的高鉛釬料如95Pb-5Sn,90Pb-10Sn等,常被作為高溫釬料。隨著無鉛釬料體系逐漸成熟,人們開始把注意力投入到高溫無鉛釬料的研發(fā)中,但至今尚未找到一種與Sn-Pb合金媲美的高鉛替代釬料[1—2]。目前國內(nèi)外對高溫無鉛釬料的研究主要集中在Bi基合金、Au基合金、Zn基合金和Sn-Sb基合金等幾類釬料。Au基合金強度高、導電和導熱性優(yōu)良,耐蝕性強,焊接時可以不需要助焊劑,保證了芯片的清潔;但Au基合金較硬、抗拉強度高、伸長率較低、可加工性差,最為重要的是Au基合金成本太高,因此適用場合極為有限[3—4]。Bi-Ag釬料價格比Au-20Sn釬料便宜,但是該合金脆性大,加工性差,與基體結(jié)合強度弱,性能較差,故實際應用仍然存在問題[5—10]。Zn -Al和 Zn - Al-Cu系二元及多元合金,成本較低,具有價格優(yōu)勢,但工藝性能和加工性能均有待提高,尤其是要改善與基板的潤濕性、降低熔化溫度和提高焊點可靠性等[11—14]。Sn-Sb釬料作為最具有前途的高溫釬料之一,Sn-5Sb合金熔點偏低,Sn-10Sb合金的熔點則有所提高,但開始熔化溫度變化不大,為230℃左右,熔化溫度太低而無法很好地應用在二次回流焊,國內(nèi)外學者對 Sn-Sb釬料合金進行了一些研究[15—17]。文中選擇Sn-Sb合金為研究對象,添加Bi,Sb后,研究其對釬料組織的影響。

      1 實驗方法

      將稱量好的原材料(分析純 Sn,Sb,Bi,其純度均為99.99%),放入多功率熔煉爐中熔煉。為保證合金的均勻性,將合金保溫(爐面溫度400℃)并反復熔煉3次,約30 min后,用小號不銹鋼鑰匙清除表面的氧化渣,隨即迅速澆鑄在不銹鋼平盤中冷卻成片狀合金。采用10℃/min的升溫速率進行DSC測試,采用DX2500型X射線衍射儀進行物相分析。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 Sn-xSb(x≤22)合金的顯微組織

      圖1為Sn-Sb合金相圖[18],在共析點(Sn-6.2 Sb)發(fā)生L+Sb2Sn3→β-Sn反應,其組織為含銻的固溶體β-Sn相。圖2分別為Sn-5Sb和Sn-10Sb,Sn-22Sb及其放大的顯微組織,可以看出合金基體中灰色的為β-Sn,白色點狀和塊狀為Sb2Sn3金屬間化合物。隨著Sb含量的增加,Sb2Sn3金屬間化合物數(shù)量明顯增加,尺寸變大但形狀沒有規(guī)律。

      圖1 Sn-Sb合金相圖[18]Fig.1 Sb - Sn phase diagram[18]

      圖2 Sn-5Sb,Sn-10Sb和Sn-22Sb釬料的顯微組織Fig.2 Microstructure of Sn-5Sb,Sn-10Sb,and Sn-22Sb alloy

      2.2 Bi對Sn-22Sb釬料合金組織的影響

      圖3為Sn-Sb-Bi三元系的液相面投影圖(α為BiSb勻晶相,γ為富Sn相)[19],可以發(fā)現(xiàn),(Sn-22Sb)-xBi(x≤6)合金中除Sb2Sn3和β-Sn外,不存在其他相。圖3為Sn-22Sb釬料添加Bi的組織,對比Sn-22Sb發(fā)現(xiàn),(Sn-22Sb)-xBi合金中沒有其他新相的生成,但隨著Bi的添加,大塊Sb2Sn3金屬間化合物等組織逐漸細化和均勻化,而且數(shù)量急劇增加,這說明Bi元素的添加不僅有利于細化組織,而且有利于Sb2Sn3金屬間化合物的形成。

      圖3 Sn- Sb-Bi三元系的液相面投影圖[19]Fig.3 Liquidus surface in the Bi- Sn - Sb system[19]

      圖4 (Sn-22Sb)-3Bi,(Sn-22Sb)-6Bi釬料的顯微組織Fig.4 Microstructure of(Sn-22Sb)-3Bi and(Sn-22Sb)-6Bi alloy

      2.3 Sb對Sn-22Sb釬料合金組織的影響

      圖5為Sn-44和Sn-50Sb合金的顯微組織,可以看到Sn-50Sb合金中幾乎全部為表面粗糙的化合物和少量的固溶體β(Sn)。結(jié)合Sn-22Sb和Sn-50Sb釬料的XRD(見圖6)發(fā)現(xiàn),這些表面粗糙的化合物為β-SnSb。當Sb的質(zhì)量分數(shù)增加到50%時,β-SnSb逐漸變?yōu)榇执蟮膲K狀。

      圖5 Sn-44和Sn-50Sb合金的顯微組織Fig.5 Microstructure of Sn-44 and Sn-50Sb alloy

      圖6 Sn-22Sb和Sn-50Sb合金的XRDFig.6 XRD of Sn-22 and Sn-50Sb alloy

      圖7為Sn-22Sb和Sn-50Sb釬料合金的DSC曲線,可以發(fā)現(xiàn)Sn-22Sb在248.1℃和309.6℃只有2個拐點,分別對應著β-Sn→L+Sb2Sn3共析反應溫度和Sb2Sn3金屬間化合物熔化溫度。由于金屬間化合物量小,共析反應量不明顯,所以第2個吸熱峰很弱;Sn-50Sb合金在343.6℃和421.6℃也只有2個拐點,結(jié)合相圖可以發(fā)現(xiàn),其對應著Sb2Sn3金屬間化合物熔化溫度和L+β-SnSb→Sb2Sn3的反應溫度。同樣由于Sb2Sn3金屬間化合物很少,共析反應的量非常大,前2個峰幾乎重疊在一起,且第2個吸熱峰無限接近相圖的理論值(424℃)。

      Sn-50Sb釬料合金的DSC曲線表明,Sn-50Sb釬料合金的開始熔化溫度較Sn-22Sb合金有所提高,在300℃以上(超過250℃),有望應用在二次回流焊。然而,其液相線溫度峰值達到421.6℃,略微偏高,因此有必要通過添加其他合金元素,降低其液相線溫度。

      圖7 Sn-22Sb和Sn-50Sb釬料的DSC曲線Fig.7 DSC of Sn-22 and Sn-50Sb alloy

      3 結(jié)論

      1)Sn-22Sb釬料合金主要由灰色的β-Sn和白色塊狀的 Sb2Sn3構(gòu)成。添加少量的 Bi,大塊Sb2Sn3金屬間化合物逐漸細化,數(shù)量卻急劇增加。

      2)添加大量的Sb后,Sb2Sn3組織消失,合金幾乎全部為粗大的塊狀β-SnSb組織。Sn-50Sb釬料合金的開始熔化溫度較Sn-22Sb合金有所提高,有望應用于二次回流焊。

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