BiSbCuSnEr無(wú)鉛高溫軟釬料力學(xué)性能和顯微組織研究

一拖（洛陽(yáng)）中成機(jī)械有限公司　　溫榮　賈利

BiSbCuSnEr無(wú)鉛高溫軟釬料力學(xué)性能和顯微組織研究

一拖（洛陽(yáng)）中成機(jī)械有限公司溫榮賈利

SnPb合金軟釬料的熔點(diǎn)低、潤(rùn)濕性較好、性能優(yōu)良、成本低廉，已被廣泛應(yīng)用于電子表面封裝SMT的電路板及電子元器件的釬焊封裝中。但是鉛對(duì)人體有害且污染環(huán)境，世界各國(guó)紛紛立法限制含鉛釬料的使用，釬料無(wú)鉛化已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。BiSb作為一種常用的研究無(wú)鉛釬料的基體，被很多研究者使用。但是，該基體較脆，強(qiáng)度低，在研究中一般希望通過(guò)加入Cu、Sn來(lái)改善基體性能［1］。本文以BiSbCuSn系無(wú)鉛釬料為基體，通過(guò)加入稀土Er，在保證基體合金釬料熔點(diǎn)（250℃～380℃）變化不大的前提下，來(lái)改善無(wú)鉛高溫軟釬料的力學(xué)性能。

BiSbCuSn系高溫?zé)o鉛軟釬料；稀土Er；力學(xué)性能；顯微組織

1　引言

在工業(yè)上，釬焊被定義為采用比母材熔化溫度低的釬料，操作溫度采用低于母材固相線(xiàn)而高于釬料液相線(xiàn)的一種焊接技術(shù)［2］。在釬焊過(guò)程中，利用釬料熔點(diǎn)比母材低這一特性，使釬料與母材同時(shí)受熱，母材保持固態(tài)，而釬料熔化潤(rùn)濕、流動(dòng)、填充兩母材之間的間隙形成接頭，從而實(shí)現(xiàn)連接。本課題在BiSbCuSn基體研究基礎(chǔ)上，通過(guò)添加稀土Er形成一種新型含稀土的無(wú)鉛高溫軟釬料。研究不同Er含量對(duì)該釬料合金抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及延伸率的影響，并分析Er的作用機(jī)理。

2　合金設(shè)計(jì)及性能測(cè)定

2.1合金成分設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用的原材料為純Bi、Sb、Cu、Sn、Er，其純度都在99.5%以上。將以上原材料按表1-1中所示的比例用電子天平進(jìn)行稱(chēng)量配制（誤差控制在±1%以?xún)?nèi)）。在已有的試驗(yàn)研究中得知：BiSbCuSn四元釬料合金的力學(xué)性能只有在含Sn量為0.8%時(shí)，其力學(xué)性能最好。本文旨在Bi5Sb2Cu8Sn四元釬料合金基礎(chǔ)上添加稀土，來(lái)研究稀土的加入能否再將釬料合金的性能提高一些，以獲得更高性能的高溫?zé)o鉛軟鉛料。加入的稀土含量如表1-1所示。試驗(yàn)中共配制五種稀土含量不同的合金各60克。

表1-1　實(shí)驗(yàn)中所用釬料合金配制比例（質(zhì)量百分比）

將配制好的原材料在真空度為5×10-2Pa的非自耗真空電弧熔煉爐中熔煉，30分鐘后取出，合金需翻轉(zhuǎn)反復(fù)熔煉三次，這樣可以很好地保證合金的均勻度，得到60克紐扣狀材料取出待用。

2.2合金力學(xué)性能測(cè)定

2.2.1拉伸性能的測(cè)定

拉伸試樣尺寸如圖2-1a所示。為了保證拉伸試樣尺寸的均一，自制了專(zhuān)用拉伸試樣卡具，如圖2-1b。模具材料為ZA102。拉伸試樣制備過(guò)程如下：

首先，將在非自耗真空電弧熔煉爐中熔煉好的合金試樣放在坩鍋中，將其在高溫爐中再次熔化，熔化溫度約為400℃，同時(shí)將金屬模放在高溫爐中預(yù)熱，可增加合金釬料的流動(dòng)性。在將金屬模放進(jìn)爐子前，先在其上涂少許脫模劑，以便順利取出澆注好的合金試樣。

其次，將預(yù)熱好的金屬模取出，然后取出爐中已經(jīng)熔化好的液態(tài)合金，迅速將液態(tài)合金澆入金屬模中，放在地上空冷，隨后將試樣取出。要求澆注好的試樣不能有明顯的裂紋和氣孔。每組合金澆注3個(gè)試樣，共需澆注15個(gè)。

然后，將澆注好的試樣進(jìn)行回火處理，回火工藝：100℃，保溫2h。

拉伸實(shí)驗(yàn)在AG-I250KN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率為1mm/min，測(cè)試溫度為25℃。

圖2-1　拉伸試驗(yàn)試樣及模具（單位/mm）

2.2.2剪切強(qiáng)度的測(cè)定

釬料在實(shí)際工作環(huán)境中，承受的載荷主要是剪切應(yīng)力。剪切強(qiáng)度試驗(yàn)采用的試樣為單剪搭接接頭，母材為25mm×80mm× 3mm的紫銅板，試樣尺寸、剪切試樣專(zhuān)用模具圖及剪切斷面示意圖如圖2-2a、2-2b、2-2c所示。

a）剪切試樣（單位/mm）

圖2-2　剪切試樣及制備模具

剪切試樣的制備過(guò)程如下：在焊接前要對(duì)兩塊銅板接頭處進(jìn)行打磨，并用酒精清洗，以便去除銅板表面氧化皮及其他雜質(zhì)。兩塊銅板同樣要在高溫爐中進(jìn)行焊接，搭接長(zhǎng)度為10mm，為了保證焊縫厚度及防止焊料外流，在銅板搭接接頭兩邊加入兩段Φ0.1mm銅絲。同時(shí)釬料盡可能在平板上鋪成0.2mm厚，并盡量制成10mm×25mm的薄板。釬焊時(shí)間可以是7～8min，取出自然空冷至室溫。為了消除殘余應(yīng)力的影響，對(duì)剪切試樣應(yīng)進(jìn)行回火處理，回火工藝：100℃，保溫2h。

剪切試驗(yàn)設(shè)備為AG-I/250KN電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度25℃，應(yīng)變速率1mm/s。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。

在剪切強(qiáng)度按照式2-1進(jìn)行計(jì)算，其中Fmax是材料的最大剪切力。S為剪切試樣實(shí)際接觸面積，該面積可用掃描儀掃描到電腦上，用CAD軟件將其算出。然后根據(jù)公式2-1可算出材料的剪切強(qiáng)度τ。

式中：τ——剪切強(qiáng)度（MPa），F(xiàn)max——最大剪切力（kN），S——實(shí)際接觸面積（m2）

2.2.3延伸率的測(cè)定

材料的延伸率可用常規(guī)的試驗(yàn)方法，即先在圖2-1所示的試棒中間細(xì)頸處畫(huà)兩段線(xiàn)，用游標(biāo)卡尺測(cè)得該段距離記為L(zhǎng)1，同時(shí)用卡尺在每個(gè)試棒細(xì)頸處測(cè)量三次試棒直徑，取最小的值作為該試棒的直徑，注意此時(shí)不能求其平均值。在試棒拉斷后，再用卡尺測(cè)得拉斷后該段距離記為L(zhǎng)2，注意此時(shí)試棒斷口要對(duì)緊，保證測(cè)量的精確。延伸率計(jì)算公式為：

式中：L1——拉伸前試棒長(zhǎng)度（mm），L2——拉伸后試棒的長(zhǎng)度（mm），δ——材料的延伸率。

3　稀土（Er）含量對(duì)BiSbCuSnEr釬料力學(xué)性能的影響

3.1稀土含量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

不同稀土含量的BiSbCuSbEr釬料及基體釬料的抗拉強(qiáng)度如圖3-1所示，可以看出：基體的抗拉強(qiáng)度較高為52MPa，而含稀土Er的釬料合金抗拉強(qiáng)度均較基體釬料稍低。在稀土含量為小于0.5%時(shí)，稀土的加入明顯地降低了釬料合金的抗拉強(qiáng)度，在稀土含量只有0.25%時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度只有46.1MPa。但隨著稀土的增加，材料的抗拉強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)其含量達(dá)到0.5%時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最好，為49.3MPa。但當(dāng)稀土含量超過(guò)0.5%時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度逐漸下降，當(dāng)稀土含量為1.5%時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度只有36.7MPa。

圖3-1　稀土（Er）含量對(duì)釬料拉伸強(qiáng)度的影響

3.3稀土含量對(duì)剪切強(qiáng)度和延伸率的影響

圖3-2為基體釬料的剪切強(qiáng)度以及不同稀土含量對(duì)BiSbCuSnEr釬料合金剪切強(qiáng)度的影響結(jié)果?？梢钥闯觯杭尤胂⊥梁?，合金釬料的剪切強(qiáng)度總體比基體的稍低，在稀土含量為0.5%時(shí)，釬料的剪切強(qiáng)度最高，可達(dá)到16.1MPa；當(dāng)稀土含量超過(guò)0.5%時(shí)，剪切強(qiáng)度隨著其含量的增加而降低。

圖3-2　稀土（Er）含量對(duì)釬料剪切強(qiáng)度的影響

材料延伸率變化如圖3-3所示，可以看出，加入稀土后，釬料合金的延伸率下降明顯。隨著稀土的增加，延伸率又會(huì)出現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)稀土含量為1.0%時(shí)，延伸率達(dá)到最大值，但當(dāng)稀土含量大于1.0%時(shí)，又會(huì)隨著稀土的增加而降低。

圖3-3　稀土（Er）含量對(duì)釬料延伸率的影響

4　結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了Er對(duì)釬料力學(xué)性能的影響，新型BiSbCuSn+稀土（Er）高溫?zé)o鉛釬料在適當(dāng)加入稀土后并沒(méi)有很好地改善釬料的力學(xué)性能。合金的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都稍微比BiSbCuSn基體的低，基體釬料的抗拉強(qiáng)度為52MPa，剪切強(qiáng)度為17Mpa，但當(dāng)稀土的加入量等于0.5%時(shí)，釬料合金的力學(xué)性能與基體的相近，此時(shí)釬料的工藝性能和力學(xué)性能較好。

［1］馬鑫，董本霞.無(wú)鉛釬料發(fā)展現(xiàn)狀.電子工藝技術(shù)，2002，23（2）：46-50

［2］張啟運(yùn)，莊鴻壽.釬焊手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：4-6