SnBi／Cu焊接接頭的剪切性能及界面微觀組織分析

尹恒剛1, 史素娟1, 許浩1, 羅登俊2, 祁紅璋1

(1.通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司, 上海200233;

2.蘇州優(yōu)諾電子材料科技有限公司, 江蘇 蘇州215152)

摘要：通過對(duì)斷口形貌和界面微觀組織的觀察分析,研究了3種Sn-Bi/Cu焊接接頭的剪切斷裂機(jī)理.結(jié)果表明:3種Sn-Bi/Cu焊接接頭均在彈性變形階段斷裂,并且均沿Sn-Bi焊料/Cu基板界面處斷裂.孔洞降低了3種Sn-Bi/Cu焊接接頭的有效連接面積,從而降低了其剪切強(qiáng)度.根據(jù)3種Sn-Bi/Cu焊接接頭斷口形貌,Sn59.9Bi40Cu 0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu 0.1/Cu焊接接頭剪切斷裂機(jī)制屬于準(zhǔn)解理、沿晶脆性斷裂和韌窩的混合型斷裂,而Sn42Bi58/Cu焊接接頭剪切斷裂機(jī)制屬于準(zhǔn)解理斷裂.微觀組織分析顯示,3種焊料合金焊接接頭界面處的金屬間化合物層均為連續(xù)的Cu6Sn5相.

關(guān)鍵詞：Sn-Bi無鉛焊料;剪切強(qiáng)度;斷口形貌;金屬間化合物

收稿日期：2014-11-26

作者簡(jiǎn)介：尹恒剛(1984—),男,碩士,工程師,主要從事焊接工藝方面的研究. E-mail: xinyhg@163.com

中圖分類號(hào)：TG 425+.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期：2014-04-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51201107);上海市教委科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(11YZ112);上海市科委基礎(chǔ)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(10JC1411800)

Analysis of Shear Property and Interfacial Intermetallic Compounds of Sn-Bi/Cu Solder JointsYIN Henggang1, SHI Sujuan1, XU Hao1, LUO Dengjun2, Qi Hongzhang1

(1.SGS-CSTC Standards Technical Services(Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200233, China;

2.Suzhou Eunow Co., Ltd., Suzhou 215152, China)

Abstract：The shear facture mechanism of Sn-Bi/Cu solder joints were studied by analyzing the fracture morphology and interfacial intermetallic compounds(IMCs).The result showed that all the three Sn-Bi/Cu solder joints almost ruptured at the elasticity deformation phase and the fractures occurred at the interface of Sn-Bi solder and Cu substrates.In addition,the shear strengths of the three Sn-Bi/Cu solder joints were decreased,since the real contact areas of the solder joints were reduced by the voids.According to the fracture morphology of the three Sn-Bi/Cu solder joints,the fracture mechanisms of Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu and Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu solder joints were the mixture of quasi-cleavage ,intergranular brittle and dimple,while the fracture mechanism of Sn42Bi58/Cu solder joint was quasi-cleavage.The microstructure analysis results showed that the IMCs of the three Sn-Bi/Cu solder joints were all continuous Cu6Sn5 phase.

Keywords：Sn-Bi lead-free solder; shear strength; fracture morphology; intermetallic compounds

0　引　言

在電子封裝和組裝互連技術(shù)中,焊料合金的任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)電子元器件及焊接基板的機(jī)械連接[1].隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品微型化和功能集成化程度的不斷提高,電子元器件的組裝密度越來越大,焊接接頭的尺寸越來越小,因此對(duì)焊接接頭的可靠性提出了更為苛刻的要求.焊接接頭的可靠性不僅與焊料合金本身的性能有關(guān),而且與焊接界面有關(guān)[2].焊接接頭的拉伸、剪切試驗(yàn)及焊接接頭界面處金屬間化合物層的微觀分析是評(píng)價(jià)焊接接頭可靠性的重要手段[3-4].因?yàn)樵趯?shí)際服役過程中,焊接接頭主要受剪切力,而且焊接接頭的剪切強(qiáng)度通常低于其抗拉強(qiáng)度,因此研究釬焊焊接接頭的剪切強(qiáng)度及焊接接頭界面處的微觀組織具有一定意義.

本文根據(jù)JIS-Z-3198標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Sn42Bi58/Cu,Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2 Cu0.1/Cu合金焊接接頭進(jìn)行剪切試驗(yàn)和界面微觀組織觀察,研究3種Sn-Bi/Cu合金焊接接頭剪切斷裂機(jī)理.

1　試驗(yàn)材料及方法

根據(jù)JIS-Z-3198標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接接頭的剪切試驗(yàn).母材為質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.99%的純Cu片,Cu片的尺寸如圖1所示.Cu片的焊接面用400#～1 500#砂紙打磨平整,并依次用流水、去離子水和酒精清洗干凈,冷風(fēng)吹干備用.將需測(cè)試的Sn42Bi58,Sn59.9Bi40Cu0.1,Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1 3種焊料合金制成相同規(guī)格的錫膏(按質(zhì)量分?jǐn)?shù):10.8%的B22焊劑和89.2%的4#錫粉),采用手工印刷方式,在待焊Cu面印制厚0.25 mm、直徑5 mm的錫膏.印制好的Cu片用特制的夾具夾持后置于HOTFLOW 8CR-N-V回流爐中進(jìn)行焊接,回流曲線如圖2所示.焊接完成后,檢查焊接接頭,確保每個(gè)剪切試樣的焊接接頭填縫完整,用銼刀和400#～1 500#砂紙將焊接接頭部分多余的焊料清除,并保證焊接接頭表面光滑無明顯劃痕.

每種成分的焊料合金制備5個(gè)焊接接頭的剪切試樣及一個(gè)界面微觀組織觀察試樣.室溫下,采用英斯特朗力分析儀器(Instron 5564,如圖3所示)對(duì)焊接好的試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn),剪切速度均為1 mm/min.記錄最大剪切力并計(jì)算剪切強(qiáng)度,取5組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果并繪制剪切力-位移曲線.

截取界面微觀組織觀察分析試樣的橫截面,將其鑲嵌后按標(biāo)準(zhǔn)金相制備方法(打磨→拋光→5 ml HNO3+92 ml C2H5OH+3 ml HCl的腐蝕液進(jìn)行腐蝕)進(jìn)行金相試樣制備.

圖1　Sn-Bi/Cu焊接接頭的剪切試樣及尺寸

圖2　回流焊溫度曲線

圖3　剪切試驗(yàn)設(shè)備

采用掃描電子顯微鏡(TESCAN,Inc.VegaⅡLMU SEM)觀察斷口形貌和焊接界面微觀組織,采用能譜衍射儀(OXFORD,Inc.ISIS300)分析其成分.

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1焊接接頭的剪切性能

圖4為Sn42Bi58/Cu,Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭的剪切力-位移曲線.由圖4可以看出,這3種焊接接頭在剪切力的作用下基本未發(fā)生塑性變形.由表1可以看出,Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu合金焊接接頭的剪切強(qiáng)度最大,Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭的剪切強(qiáng)度最小.

圖4　Sn-Bi/Cu焊接接頭剪切力-位移曲線

合金焊接接頭厚度/mm直徑/mm剪切強(qiáng)度/MPaSn42Bi580.22±0.0195.01±0.07835.2±1.24Sn59.9Bi40Cu0.10.22±0.0205.13±0.06939.3±1.02Sn57.9Bi40Zn2Cu0.10.22±0.0115.19±0.04132.2±1.25

因?yàn)榧羟性囼?yàn)件焊接接頭較小,厚度只有0.216～0.218 mm,直徑只有5 mm左右,所以可供塑性變形的焊料合金極少,而剪切速度較高,所以焊接接頭來不及發(fā)生塑性變形.這就是剪切力-位移曲線上沒有塑性變形階段的主要原因.

2.2焊接接頭剪切斷口形貌分析

2.2.1剪切斷口宏觀形貌分析

圖5為Sn42Bi58/Cu,Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭剪切斷口的宏觀照片.由圖5可以看出:(1) 3種焊接接頭破斷位置均位于焊料/銅基板界面處;(2) 3種焊接接頭內(nèi)部均存在孔洞,尤其是Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu焊接接頭內(nèi)部的孔洞較多且粗大.

焊接接頭內(nèi)部孔洞的形成主要與焊料合金凝固過程中的收縮,助焊劑中有機(jī)物的揮發(fā)、分解及助焊劑與焊料合金化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體有關(guān).這些氣體在焊料合金凝固過程中來不及逸出,在焊接接頭中形成孔洞.Zn元素易氧化,易與有機(jī)物反應(yīng)產(chǎn)生氣體,所以Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu焊接接頭中的孔洞比另外兩種焊接接頭中的多.

焊接接頭中的孔洞在外加載荷的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中,并發(fā)生開裂.當(dāng)繼續(xù)施加載荷達(dá)到一定值,焊接接頭則在焊料/銅基板界面處斷裂.此外,孔洞降低了焊接接頭的有效連接面積,加速了焊接接頭斷裂.這是Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu焊接接頭剪切強(qiáng)度低于Sn42Bi58/Cu和Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu焊接接頭剪切強(qiáng)度的主要原因.

圖5表明3種焊接接頭剪切斷口比較平整,邊緣有少量的剪切唇,說明這3種焊接接頭的斷裂方式主要是脆性斷裂.

2.2.2剪切斷口微觀形貌分析

圖6為Sn42Bi58/Cu,Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭剪切斷口的微觀照片.由圖6(a)可以看出,Sn42Bi58/Cu合金焊接接頭剪切斷口上有大量的撕裂棱,在5 000倍下可以看出斷口上有很多小刻面(圖6(b)),所以Sn42Bi58/Cu合金焊接接頭的剪切斷口屬于脆性斷裂中的準(zhǔn)解理斷裂;由圖6(c)可以看出,Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu合金焊接接頭剪切斷口由大量的撕裂棱和小而淺的韌窩組成,在5 000倍下可以看出該焊接接頭的剪切斷口有很多小刻面、巖石狀花樣及韌窩(圖6(d)),所以Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu合金焊接接頭剪切斷口屬于準(zhǔn)解理斷裂、沿晶斷裂及韌性斷裂的混合型斷口;由圖6(e)可以看出,Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭剪切斷口由大量的撕裂棱、小刻面及少量小而淺的韌窩組成,在5 000倍下可以看出該焊接接頭的剪切斷口有很多小刻面、巖石狀花樣及少量的韌窩(圖6(f)),所以Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭剪切斷口也屬于準(zhǔn)解理斷裂、沿晶斷裂及韌性斷裂的混合型斷裂.

圖5　Sn-Bi/Cu焊接接頭剪切斷口的宏觀形貌

圖6　Sn-Bi/Cu焊接接頭剪切斷口的微觀形貌

2.3界面微觀組織分析

Sn42Bi58/Cu,Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭的微觀組織如圖7所示.3種焊接接頭界面處均形成了一層薄而連續(xù)的金屬間化合物.圖7(c)中點(diǎn)1處的能譜點(diǎn)掃描結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出,點(diǎn)1處化合物層含有Sn元素和Cu元素,根據(jù)相圖可以確定此處的金屬間化合物主要是Cu6Sn5相.研究[5-6]表明,Cu6Sn5相與焊料合金及銅基板之間的熱膨脹系數(shù)不同,而且在焊料合金冷卻之前,Cu6Sn5金屬間化合物不斷向焊料合金內(nèi)部生長(zhǎng),冷卻之后易在焊料和銅基板之間產(chǎn)生較大的體積應(yīng)力,這是焊接接頭在剪切力作用下沿焊料/銅基板界面斷裂的主要原因之一.由圖7可以看出,Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40 Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭附近的β-Sn基體周圍分布著較細(xì)小的富Bi相,而Sn42Bi58/Cu合金焊接接頭附近則分布著連續(xù)粗大的富Bi相.粗大的富Bi相使Sn42Bi58/Cu焊接接頭的脆性更大,而較細(xì)小的富Bi相則能降低Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭的脆性.

圖7　Sn-Bi/Cu焊接接頭界面處的SEM照片

圖8　Sn-Bi/Cu焊接接頭界面處EDS分析

3　結(jié)　論

(1) Sn42Bi58/Cu合金焊接接頭的剪切斷裂機(jī)制屬于準(zhǔn)解理斷裂;而Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭的剪切斷裂機(jī)制屬于準(zhǔn)解理斷裂、沿晶脆性斷裂及韌窩斷裂的混合型斷裂.

(2) 焊接接頭內(nèi)部孔洞引起的應(yīng)力集中以及Cu6Sn5金屬間化合物與焊料基體之間的體積應(yīng)力是焊接接頭沿焊料/Cu基板界面斷裂的主要原因.焊接接頭內(nèi)部的孔洞削弱了焊接接頭的有效連接面積,從而降低焊接接頭的剪切強(qiáng)度.

(3) Sn42Bi58/Cu,Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金焊接接頭界面處的金屬間化合物層均為連續(xù)的Cu6Sn5相,另外Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu合金界面處的β-Sn基體上分布著較細(xì)小的富Bi相,而Sn42Bi58/Cu合金基體附近則分布著連續(xù)粗大的富Bi相.

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