63Sn-37Pb和Sn-3Ag-0.5Cu合金釬料的扭轉(zhuǎn)低周疲勞性能

郭洪強(qiáng)

（1.淄博職業(yè)學(xué)院化工系，淄博 255314；2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

0 引 言

63Sn-37Pb錫鉛合金釬料由于具有良好的潤濕性、導(dǎo)電性、延展性、以及低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)在微電子封裝中得到了廣泛應(yīng)用。但是鉛是一種有毒元素，其通過呼吸系統(tǒng)及消化系統(tǒng)進(jìn)入人體后會(huì)導(dǎo)致癌癥、兒童多動(dòng)癥、尿毒癥等多種疾病［1］，近幾年無鉛釬料的研究得到了人們的重視，錫銀、錫鋅及錫銀銅系無鉛釬料在力學(xué)性能、焊接工藝性能以及連接可靠性等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，有望成為錫鉛合金釬料的替代品［2－3］。

目前，對(duì)無鉛合金釬料力學(xué)性能的研究較多。例如，Pang［4－5］等研究了99.3Sn-0.7Cu合金釬料在不同溫度下的低周疲勞行為以及頻率對(duì)疲勞壽命的影響；羅艷等［6］研究了63Sn-37Pb合金釬料單軸時(shí)相關(guān)變形和失效行為，并提出了耦合損傷時(shí)相關(guān)循環(huán)本構(gòu)模型和疲勞失效模型；陳旭等［7－9］對(duì)63Sn-37Pb、Sn-3Ag-0.5Cu釬料進(jìn)行一系列單軸、多軸非比例循環(huán)加載下的疲勞及循環(huán)特性試驗(yàn)研究，通過對(duì)多個(gè)模型結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，Chen-Xu-Huang模型能較好地描述多軸非比例加載的疲勞行為。據(jù)目前所查資料來看，對(duì)63Sn-37Pb和Sn-3Ag-0.5Cu兩種合金釬料扭轉(zhuǎn)低周疲勞性能的對(duì)比研究較少。因此，作者對(duì)這兩種釬料的扭轉(zhuǎn)低周疲勞性能進(jìn)行對(duì)比研究，確定了它們的扭轉(zhuǎn)彈性模量、疲勞失效的標(biāo)準(zhǔn)及Coffin-Manson方程中的有關(guān)參數(shù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用合金釬料由天津瑞堅(jiān)新材料科貿(mào)有限公司生產(chǎn)，直徑為3.8mm，熔點(diǎn)Tm為221℃［10］，化學(xué)成分見表1。扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)開始前，先將焊絲在0.82Tm下保溫2h，然后升溫至0.87Tm保溫1h后空冷至室溫，以消除焊絲在加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。截取長度為50mm的釬料焊絲，兩端各粘套10mm不銹鋼管作為夾持部分，制成有效長度30mm、直徑3.8mm的試樣。

表1 63Sn-37Pb和Sn-3Ag-0.5Cu合金釬料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of Sn-3Ag-0.5Cu and 63Sn-37Pb alloy solders（mass） %

扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)在MTF-500Nmm型微型扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境為室溫，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，采用轉(zhuǎn)角循環(huán)控制，兩種釬料的剪應(yīng)變幅（Δγ/2）如表2所示。其中，τ為剪應(yīng)力，Nf為疲勞壽命。循環(huán)載荷為三角波形，剪應(yīng)變加載速率為5×10－3·s－1。

試樣表面的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分別由式（1）和式（2）計(jì)算［11］。

式中：τ為剪應(yīng)力，MPa；T為扭矩，N·mm；R為試樣半徑，mm；γ為剪應(yīng)變；α為轉(zhuǎn)角，（°）；L 為試樣的有效長度，mm。

表2 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Torsional fatigue test results

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變滯環(huán)曲線

從圖1中可以看出，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加，兩種合金釬料的最大剪應(yīng)力幅、滯環(huán)的面積都逐漸減小，說明兩種合金釬料都是循環(huán)軟化材料。通過對(duì)滯環(huán)的彈性降載階段進(jìn)行線性擬合，可得到63Sn-37Pb和Sn-3Ag-0.5Cu合金釬料的剪切彈性模量G分別為8.986GPa和10.12GPa。

2.2 剪應(yīng)力幅與循環(huán)圈數(shù)的關(guān)系

圖1 兩種合金釬料的循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變滯環(huán)曲線Fig.1 Cycle stress-strain hysteresis loops of the two alloy solders

圖2 兩種合金釬料在不同剪應(yīng)變幅下剪應(yīng)力幅隨循環(huán)圈數(shù)的變化Fig.2 Shear stress amplitude vs cycle number for the two alloy solders at different shear stain amplitudes

從圖2中可以看出，剪應(yīng)力幅隨循環(huán)圈數(shù)的增加不斷降低，可分為快速下降、穩(wěn)定和加速下降三個(gè)階段。第一階段的時(shí)間較短，但剪應(yīng)力幅的下降比較明顯；第二階段的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長，剪應(yīng)力幅的下降基本與循環(huán)圈數(shù)成線性關(guān)系；第三階段的剪應(yīng)力幅下降較快，呈加速下降的趨勢(shì)，直至試樣發(fā)生疲勞破壞。Chen等［8］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剪應(yīng)變幅較小時(shí)（如Δγ/2＝0.2%），第一階段就不明顯，只有穩(wěn)定和加速下降兩個(gè)階段。另由圖2還可看出，當(dāng)Δγ/2＝0.866%、循環(huán)至斷裂時(shí)，Sn-3Ag-0.5Cu釬料的疲勞壽命約為63Sn-37Pb釬料的 3.1倍；當(dāng) Δγ/2＝2.592%、循環(huán)至斷裂時(shí)，Sn-3Ag-0.5Cu釬料的疲勞壽命 約 為 63Sn-37Pb 釬 料 的 2.1 倍?？?見，Sn-3Ag-0.5Cu釬料比63Sn-37Pb釬料具有更高的抗剪切疲勞能力。

2.3 載荷降與循環(huán)圈數(shù)的關(guān)系

扭轉(zhuǎn)疲勞的載荷降Ld可用式（3）計(jì)算［8］：

式中：Δτ為循環(huán)剪應(yīng)力的變化范圍；Δτm為Δτ的最大值。

由圖3可以看出，對(duì)于任一外加剪應(yīng)變，隨著循環(huán)圈數(shù)的增大，曲線的斜率均逐漸增大。說明兩種合金釬料的抗剪切能力逐漸減弱。結(jié)合表2和圖3可知，在相同的剪應(yīng)變幅下，隨著載荷降的增加，剪應(yīng)力逐漸減小；剪應(yīng)變幅越小，曲線斜率增加得越緩慢，壽命Nf就越長。

圖3 兩種合金釬料在不同剪應(yīng)變幅下載荷降Ld與循環(huán)圈數(shù)的關(guān)系Fig.3 Load dropping vs cycles number for the two alloy solders at different shear strain amplitudes

目前對(duì)于錫鉛釬料的低周疲勞壽命并沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。Pang等［12］參照 ASTM［13］標(biāo)準(zhǔn)，將50%的載荷降作為疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)；但Kanchanomai等［14］發(fā)現(xiàn)對(duì)于焊錫釬料，載荷降為50%時(shí)已經(jīng)超過了加速軟化轉(zhuǎn)折點(diǎn)。故作者采用Stolkarts等［15］的觀點(diǎn)，定義穩(wěn)定階段與加速下降階段轉(zhuǎn)折處的循環(huán)圈數(shù)為材料的疲勞壽命。由圖3可以看出，對(duì)于63Sn-37Pb釬料，當(dāng)載荷降在20%～30%時(shí)，釬料的載荷降Ld隨循環(huán)圈數(shù)增加而迅速增大，因此選取載荷降為25%時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)圈數(shù)作為63Sn－37Pb釬料的疲勞壽命；按照相同的方法，選取載荷降為35%時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)圈數(shù)作為Sn-3Ag-0.5Cu釬料的疲勞壽命。

2.4 剪應(yīng)變與疲勞壽命的關(guān)系

Coffin-Manson方程認(rèn)為，低周疲勞中的彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅與失效反向數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，其剪應(yīng)變－壽命方程為：

式中：Δγ/2為總的剪應(yīng)變幅；Δγe/2為彈性剪應(yīng)變幅；Δγp/2為塑性剪應(yīng)變幅；τ′f為剪切疲勞強(qiáng)度系數(shù)，MPa；γ′f為剪切疲勞延性系數(shù)；b0為剪切疲勞強(qiáng)度指數(shù)；c0為剪切疲勞延性指數(shù)；G為剪切彈性模量，MPa；Nf為循環(huán)失效周次，即疲勞壽命。

分別取Ld＝25%和Ld＝35%時(shí)的循環(huán)圈數(shù)作為63Sn-37Pb、Sn-3Ag-0.5Cu釬料失效時(shí)的壽命，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中做出 Δγ/2-2 Nf、Δγp/2-2 Nf、Δγe/2-2 Nf曲線，見圖4?？梢钥闯觯瑑煞N合金釬料的變形主要由塑性變形控制，外加剪應(yīng)變?cè)酱?，塑性變形所占比例越大，彈性?yīng)變隨外加剪應(yīng)變的變化較小。另外，隨外加總剪應(yīng)變幅的降低，兩種釬料的疲勞壽命均增加；在相同的剪應(yīng)變幅下，Sn-3Ag-0.5Cu釬料的疲勞壽命大于63Sn-37Pb釬料的，也就是說，前者抗剪切疲勞的能力優(yōu)于后者的，而且外加剪應(yīng)變幅越小，優(yōu)勢(shì)越明顯。

利用式（4）對(duì)63Sn-37Pb和 Sn-3Ag-0.5Cu兩種釬料進(jìn)行參數(shù)擬合，得到的疲勞性能參數(shù)列于表3。則63Sn-37Pb和Sn-3Ag-0.5Cu釬料的 Coffin－Manson方程形式分別如式（5）和式（6）所示。

圖4 兩種合金釬料不同剪應(yīng)變幅與疲勞壽命的關(guān)系Fig.4 Relationship between shear strain amplitude and fatigue life for the two alloy solders

表3 兩種釬料扭轉(zhuǎn)疲勞性能參數(shù)的擬合值Tab.3 Fiited results of torsional fatigue properties of the two alloy solders

3 結(jié) 論

（1）63Sn-37Pb和 Sn-3Ag-0.5Cu合金釬料的最大剪應(yīng)力幅隨循環(huán)圈數(shù)的增大而減小，它們均為循環(huán)軟化材料，剪切彈性模量分別為8.986GPa和10.12GPa。

（2）剪應(yīng)力幅隨循環(huán)圈數(shù)的變化可分為快速下降、穩(wěn)定和加速下降三個(gè)階段，將穩(wěn)定階段和加速下降階段轉(zhuǎn)折處對(duì)應(yīng)的循環(huán)圈數(shù)定義為材料的疲勞壽命，則63Sn-37Pb纖料的載荷降為25%時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)圈數(shù)為其疲勞壽命，Sn-3Ag-0.5Cu纖料的載荷降為35%時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)圈數(shù)為其疲勞壽命。

（3）釬料的變形由彈性變形和塑性變形組成，且塑性變形占據(jù)主導(dǎo)地位，彈性應(yīng)變隨外加剪應(yīng)變的變化較小。

（4）釬料的疲勞壽命隨外加剪應(yīng)變幅的減小而顯著增加；在相同剪應(yīng)變幅下，Sn-3Ag-0.5Cu釬料的疲勞壽命更長，其抗剪切疲勞的能力優(yōu)于63Sn－37Pb釬料的。

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