Sn0.3Ag0.7Cu—xPr無鉛釬料顯微組織和力學性能研究

馮曉樂

摘 要：本文對Sn0.3Ag0.7Cu-xPr釬料的顯微組織和力學性能進行了試驗研究。結果表明，微量稀土Pr的添加可以有效細化Sn0.3Ag0.7Cu釬料的顯微組織和顯著提高釬料的拉伸強度。Sn0.3Ag0.7Cu-0.1Pr釬料的基體組織得到最大程度的細化以及均勻化，金屬間化合物顆粒尺寸明顯減小，釬料的拉伸強度和延展性也達到了最大值，拉伸斷口出現(xiàn)細小均勻的韌窩，呈明顯的韌性斷裂特征。當稀土Pr含量繼續(xù)升高時，釬料的力學性能惡化，這與基體組織中出現(xiàn)的大塊PrSn3稀土相有關。

關鍵詞：無鉛釬料；顯微組織；力學性能；低銀；斷口形貌

中圖分類號：TG454 文獻標識碼：A

Abstract：The microstructure and mechanical properties of Sn0.3Ag0.7Cu-xPr lead-free solders were investigated. The results indicate that the addition of Pr can refine the microstructure and enhance the mechanical properties. The microstructure were refined maximum and even on Sn0.3Ag0.7Cu-0.1Pr solder， in which the size of intermetallic compound particals could be reduced， too. At this time， the mechanical properties of solder have the peak value. The tensile fracture shows that small dimples can be seen and the toughness fracture can be demonstrated.

Keywords： lead-free solder； microstructure； mechanical property； low Ag content； fracture morphology

隨著電子產(chǎn)品制造業(yè)的迅猛發(fā)展，綠色環(huán)保的無鉛釬料得到了大力的開發(fā)與應用。其中，SAC305（Sn3.0Ag0.5Cu）釬料被公認為是SnPb釬料最具潛力的替代品。但在使用過程中發(fā)現(xiàn)，較高的Ag含量易產(chǎn)生Ag3Sn組織，使得焊后接頭抗沖擊性能降低，從而導致電子產(chǎn)品在服役過程中可靠性下降；同時，高銀含量會導致無鉛釬料成本增加，影響其市場競爭力。

為降低釬料成本，改善焊后可靠性，新型低銀無鉛釬料的研究成為電子企業(yè)和行業(yè)中的重要研究課題之一。Sn0.3Ag0.7Cu 無鉛釬料正在研究之中，并且已經(jīng)應用在部分電子組裝和封裝企業(yè)。但與高銀含量的無鉛釬料相比，其熔點稍高， 潤濕性稍差。

大量研究表明，稀土元素可顯著改善釬料某些方面的性能。LI等選擇在Sn3.8Ag0.7Cu中添加混合稀土，可明顯提高焊點的剪切強度。由于Pr和Nd的加入，Sn3.8Ag0.7Cu的基體組織得到明顯細化，潤濕性能和力學性能也得到了極大的提升。CHENG等發(fā)現(xiàn)，Ce和La可以明顯提高Sn-2.5Ag-0.7Cu釬料的鋪展面積和焊接可靠性。

此外，Y和Er也已被應用于高銀SnAgCu釬料的性能優(yōu)化中，得到了一系列高性能的高銀SnAgCu無鉛釬料。微量稀土對低銀Sn-0.3Ag-0.7Cu 無鉛系釬料的性能影響還鮮見報道。

本文針對Sn-0.3Ag-0.7Cu無鉛釬料，研究了研究稀土Pr對該釬料顯微組織和力學性能的影響。

1.實驗材料及方法

1.1 合金設計及制備

以純度為99.9%的錫、銀、銅及稀土Pr為原材料，采用中間合金冶煉的制備工藝。在真空冶煉爐中熔煉制備出不同稀土Pr含量的Sn0.3Ag0.7Cu釬料。Pr的含量分別為0，0.025%，0.05%，0.1%，0.25%，0.5%。

1.2 釬料基體組織分析

選取澆鑄過程中的相同部位釬料進行切割、鑲嵌，經(jīng)過剖面、打磨、拋光等程序制成初級試樣。用無水乙醇將試樣表面清洗后，采用4%HNO3+C2H5OH腐蝕液進行3～5秒腐蝕，利用XJP-300型光學顯微鏡以及日立掃描電子顯微鏡S-3400N對釬料的顯微組織進行觀察和分析。

1.3 力學性能測試

在室溫下利用AG-I250KN試驗機，采用尺寸如圖1所示的拉伸試樣（厚度為1mm），以1mm·min-1的速率進行拉伸試驗，測量釬料合金的拉伸強度及延伸率，后用掃描電子顯微鏡對拉伸斷口進行觀察和分析。

2.結果與分析

2.1 Sn0.3Ag0.7Cu-xPr無鉛釬料顯微組織研究

Sn0.3Ag0.7Cu-xPr基體組織主要由共晶組織、較粗大的初晶β-Sn以及初晶金屬間化合物（IMC）組成，如圖2（a）所示。從圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，隨著Pr的添加，SnAgCu合金的顯微組織起了明顯的變化。在SnAgCu基體中，初晶β-Sn占有較大的體積比例，同時存在大尺寸金屬間化合物。大尺寸金屬間化合物往往是焊點失效的裂紋源，將會影響釬料基體的力學性能。GAO等人研究Sn3.8Ag0.7Cu-xNd釬料組織時，也發(fā)現(xiàn)了類似形貌。隨著0.025%Pr元素的加入，初晶金屬間化合物的形貌轉(zhuǎn)變成橢圓狀，可有效降低金屬間化合物與β-Sn基體間的界面應力，在一定程度上抑制服役過程中裂紋的產(chǎn)生及擴展。當加入0.1%Pr時，共晶組織比例增加，金屬間化合物尺寸均勻，且彌散分布在釬料基體中，基體組織得到了明顯的細化。但當Pr含量增加至0.5wt.%時，在Sn0.3Ag0.7Cu-0.5Pr釬料中出現(xiàn)了尺寸較大的黑色相，并且出現(xiàn)了一定比例的共晶組織，表明SnAgCu釬料的共晶組織形貌受Pr含量的影響，這與Li等人的研究結果相吻合。endprint

2.2 力學性能

從圖3發(fā)現(xiàn)，稀土Pr的添加可較明顯的改善SnAgCu釬料的抗拉強度和延伸率，當加入0.1wt%Pr時，拉伸強度和延展率達到最大值。結合圖2（c），不難發(fā)現(xiàn)，隨著0.1%Pr的加入，Sn0.3Ag0.7Cu釬料基體組織得到了細化，金屬間化合物顆粒大小比較均衡，且彌散分布在基體中，起到了一定的彌散強化的作用。但當Pr含量進一步增加時，其拉伸強度和延伸率均出現(xiàn)了一定程度的下降。

由圖2可知，稀土Pr的添加量超過0.1%時，在基體中會產(chǎn)生大尺寸的黑色相，且隨著Pr含量的增加而增多，Sn0.3Ag0.7Cu-0.5Pr釬料中尤為明顯。對Sn0.3Ag0.7Cu-0.5Pr基體中點狀的黑色相進行能譜分析（如圖4所示）可以確定，此黑色相為PrSn3。對其周圍的白色化合物顆粒進行成分分析表明，尺寸較大的顆粒為Cu6Sn5化合物顆粒，尺寸較小的化合物顆粒是Ag3Sn顆粒。由圖4（a）可以看出，稀土相PrSn3的尺寸明顯大于Cu6Sn5和Ag3Sn，同時，稀土相周圍總是存在一定數(shù)量的金屬間化合物（Cu6Sn5和Ag3Sn），說明稀土相和金屬間化合物間存在“依附生長”的關系。有關研究表明，在SnAgCu釬料中，當稀土Ce、La、Y的含量達到2wt.%時，稀土相RExSny的硬度值可達Sn的數(shù)十倍，與金屬間化合物Ag3Sn的硬度接近。但是稀土相RExSny若與空氣接觸則會迅速氧化，氧化后的RExOy相即呈現(xiàn)脆性的特征。這也是過量的稀土Pr容易導致釬料力學性能惡化的原因所在。

由圖5（a）可見，Sn0.3Ag0.7Cu-0.1Pr斷口具有明顯的韌性斷裂特征，韌窩多而深，而Sn0.3Ag0.7Cu-0.5Pr斷口上韌窩較少而淺，其延伸率也明顯低于Sn0.3Ag0.7Cu-0.1Pr釬料。這與該釬料合金的拉伸強度試驗和微觀組織觀察結果一致。研究證明，Sn0.3Ag0.7Cu-xPr釬料合金的力學性能與稀土相PrSn3的大小、比例等密切相關。

結論

（1）利用掃描電鏡對Sn0.3Ag0.7Cu-xPr釬料進行顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)微量稀土Pr的加入可以明顯改善Sn-0.3Ag-0.7Cu釬料的顯微組織。當Pr含量為0.1wt.%左右時，該釬料的基體組織得到最大程度的細化。但當Pr含量繼續(xù)增加時，釬料中會出現(xiàn)大塊黑色相。

（2）對Sn0.3Ag0.7Cu-xPr釬料力學性能測試，發(fā)現(xiàn)Pr可以在顯著改善釬料的拉伸強度和延伸率，Pr的最佳添加量是0.1wt.%。過量的Pr將會導致其力學性能下降，這與大塊黑色稀土相PrSn3有密切關系。Sn0.3Ag0.7Cu-xPr釬料拉伸斷裂為韌性斷裂。

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