時(shí)效溫度對(duì)Sn-0.7Cu-xFe釬焊接頭可靠性的影響

(1. 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2. 常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

時(shí)效溫度對(duì)Sn-0.7Cu-xFe釬焊接頭可靠性的影響

宋兵兵1,2楊莉2蔣立誠(chéng)2于華寬2相積岑2

(1. 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2. 常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

研究了時(shí)效溫度對(duì)釬料Sn-0.7Cu及Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭微觀組織和接頭拉伸強(qiáng)度及斷口形貌的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著時(shí)效溫度提高，焊點(diǎn)組織粗化，釬料中Cu6Sn5化合物形貌由針狀向棒狀轉(zhuǎn)變，且長(zhǎng)大趨勢(shì)較明顯，F(xiàn)e顆粒的添加可以延緩時(shí)效過(guò)程中Sn-0.7Cu-xFe接頭微觀組織中Cu6Sn5的粗化程度；釬焊接頭抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)效溫度提高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且在相同時(shí)效溫度下釬料Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭抗拉強(qiáng)度均高于Sn-0.7Cu；隨著時(shí)效溫度提高，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬料釬焊接頭斷口形貌主要由韌窩和河流解理花樣組成，接頭的斷裂機(jī)制隨時(shí)效溫度的升高由塑性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

釬料接頭時(shí)效溫度微觀組織抗拉強(qiáng)度

0 序 言

電子元器件微型化，裝配密集化發(fā)展，促進(jìn)了電子封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電子元器件的可靠性很大程度上取決于焊點(diǎn)的可靠性，因此如何提高焊點(diǎn)的可靠性成為研究熱點(diǎn)[1-7]。Sn-Cu系因其成本較低、易生產(chǎn)、易回收、雜質(zhì)敏感性低、綜合力學(xué)性能較好等原因，在釬焊溫度對(duì)元器件影響較低的波峰焊中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，成為波峰焊工藝中最有希望替代Sn-Pb釬料的產(chǎn)品，并且在倒裝焊中也得到了一定的應(yīng)用[8-10]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于Sn-Cu系無(wú)鉛釬料的研究主要集中通過(guò)添加不同含量的微量元素來(lái)改善釬料的性能，從而提高釬料焊點(diǎn)的可靠性并延長(zhǎng)其使用壽命[11]。葛進(jìn)國(guó)等人[12]研究發(fā)現(xiàn)添加適量Ni顆粒使Sn-0.7Cu無(wú)鉛釬料基體中的Cu6Sn5彌散分布。閆焉服等人[13]研究了Ag顆粒對(duì)Sn-0.7Cu釬料組織和性能的影響，Ag顆?？梢蕴岣逽n-0.7Cu釬料合金的拉伸性能和釬焊接頭的抗蠕變壽命。楊莉等人[14]研究了微量Al元素對(duì)Sn-0.7Cu無(wú)鉛釬料組織和性能的影響，Al元素的添加可以提高Sn-0.7Cu無(wú)鉛釬料的拉伸強(qiáng)度和抗蠕變性能。周許升等人[15]研究了時(shí)效時(shí)間對(duì)Sn-0.7Cu無(wú)鉛釬料微觀組織的影響，隨著時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)，β-Sn初晶晶粒長(zhǎng)大，Cu6Sn5金屬間化合物顆粒數(shù)量減少、尺寸增大，并且顆粒間距增大。馬超力等人[16]研究了Sn-0.7Cu無(wú)鉛釬料微觀組織及力學(xué)性能在時(shí)效過(guò)程中的演變，隨著時(shí)效的進(jìn)行，抗剪強(qiáng)度不斷下降，可有效的提高Sn-Cu-Ni-xPr焊點(diǎn)的力學(xué)性能。

但是Sn-Cu系釬料熔點(diǎn)高，釬料組織中Cu6Sn5顆粒不穩(wěn)定，在高溫下容易長(zhǎng)大，導(dǎo)致釬料的高溫?zé)崞谛暂^差，對(duì)接頭可靠性產(chǎn)生不利影響。文中研究不同溫度下Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的微觀組織、抗拉強(qiáng)度及拉伸斷口的演變規(guī)律，為提高Sn-0.7Cu無(wú)鉛釬料的可靠性研究提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

釬料基體材料為Sn-0.7Cu無(wú)鉛焊膏，增強(qiáng)相為粒徑約為50 μm的Fe顆粒，基板材料為純度約99.99%的紫銅片，其尺寸為25 mm×25 mm×0.2 mm。

采用機(jī)械混合法制備Sn-0.7Cu-0.05Fe復(fù)合釬料，在F4N型回流焊機(jī)進(jìn)行釬焊接頭的制備，回流最高溫度為260 ℃。將Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭置于DHG-9140A鼓風(fēng)干燥箱中分別進(jìn)行不同溫度(60 ℃,100 ℃,140 ℃,180 ℃)的時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間均為100 h。采用GX51型Olympus金相顯微鏡對(duì)時(shí)效后釬焊接頭微觀組織進(jìn)行觀察。采用PTR1102型強(qiáng)度結(jié)合測(cè)試儀測(cè)試釬焊接頭拉伸強(qiáng)度，釬焊接頭的拉伸尺寸為20 mm×1 mm×0.9 mm，拉伸速率為0.01 mm/s，測(cè)量三組數(shù)據(jù)取其平均值。再采用ISPECTS50型掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 時(shí)效溫度對(duì)釬焊接頭微觀組織的影響

Sn-0.7Cu及Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭微觀組織在不同時(shí)效溫度下保溫100 h后的顯微組織形貌分別如圖1和圖2所示。Sn-0.7Cu釬料基體由初生β-Sn相和分布于β-Sn相上的Cu6Sn5顆粒組成，隨著時(shí)效溫度升高，Cu6Sn5化合物不斷粗化，由寬約2 μm、長(zhǎng)約5～10 μm的針狀逐漸演變?yōu)閷捈s8～10 μm、長(zhǎng)約30～50 μm的棒狀。這是因?yàn)殁F料基體溫度升高時(shí)，Sn，Cu及微量Fe原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，Sn和Cu原子傾向于在已形成的晶粒表面發(fā)生團(tuán)聚并進(jìn)一步長(zhǎng)大。同一時(shí)效溫度下，Sn-0.7Cu-0.05Fe釬料中金屬化合物尺寸比Sn-0.7Cu細(xì)小，同時(shí)Sn-0.7Cu-0.05Fe釬料中β-Sn初晶的晶粒尺寸也相對(duì)較小，在180 ℃下時(shí)效100 h后，Cu6Sn5的形態(tài)演變?yōu)閷捈s10 μm、長(zhǎng)約30 μm的棒狀。這是因?yàn)镕e在β-Sn中的溶解度很低，大部分Fe以FeSn2相形式析出或者作為非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)，使金屬間化合物和β-Sn初晶晶粒得到細(xì)化[17]。

圖1 不同時(shí)效溫度下Sn-0.7Cu釬焊接頭組織形貌

圖2 不同時(shí)效溫度下Sn-0.7Cu-0.05Fe釬料基體組織形貌

2.2 時(shí)效溫度對(duì)釬焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響

圖3為在不同溫度下等溫時(shí)效100 h后的Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭抗拉強(qiáng)度。Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)效溫度增加均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。室溫時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為56 MPa和60 MPa，當(dāng)時(shí)效溫度升高至180 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別降至37 MPa和41 MPa。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的Cu6Sn5均呈現(xiàn)粗化的趨勢(shì)，且Cu6Sn5在釬料接頭中的分布不均勻。脆硬相Cu6Sn5和釬料β-Sn的界面為性能薄弱區(qū)，在拉應(yīng)力的作用下容易為裂紋提供形核基礎(chǔ)，并沿著界面進(jìn)行擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。故Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的拉伸性能均隨失效時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。相同時(shí)效溫度下釬料Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度高于Sn-0.7Cu，這是因?yàn)樘砑拥奈⒘縁e起到了細(xì)化Cu6Sn5和釬料β-Sn的作用，使Cu6Sn5在釬料基體分布較為彌散，從而以硬質(zhì)第二相的作用阻礙了拉伸過(guò)程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高了Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度[18]。

2.3 時(shí)效溫度對(duì)拉伸斷口形貌的影響

圖4和圖5分別為Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭在不同溫度下時(shí)效100 h后的拉伸斷口形貌。當(dāng)時(shí)效溫度低于60 ℃時(shí)，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭斷口主要呈現(xiàn)為韌窩，說(shuō)明此狀態(tài)下Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的斷裂形式主要為塑性斷裂。主要是因?yàn)镾n-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭在低于60 ℃下時(shí)效100 h后，Cu6Sn5和釬料組織均較為細(xì)小且分布較為彌散。隨著時(shí)效溫度的增加，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭斷口由韌窩和河流狀解理花樣組成，再演變成時(shí)效溫度為180 ℃時(shí)的斷口中主要為解理花樣，說(shuō)明此狀態(tài)Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的斷裂形式由塑性斷裂和脆性斷裂混合機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔褭C(jī)制。主要是由于隨著時(shí)效溫度的提高，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭中的Cu6Sn5和釬料組織均粗化，Cu6Sn5和釬料界面處形成的微裂紋在拉應(yīng)力的作用下快速沿著界面方向長(zhǎng)大而呈現(xiàn)撕裂狀，從而在斷口表面形成解理面[19]。

圖3 時(shí)效溫度對(duì)Sn-0.7Cu-xFe釬焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律

在相同的時(shí)效條件下，Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的韌窩較Sn-0.7Cu細(xì)小，且解理花樣少。主要是因?yàn)镕e顆粒的添加細(xì)化的Cu6Sn5，降低了拉伸過(guò)程中的裂紋的形成趨勢(shì)，且Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭中的Cu6Sn5分布較Sn-0.7Cu彌散，從而在拉伸過(guò)程中因阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成的應(yīng)力場(chǎng)分布更為均勻，從而體現(xiàn)出Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭的拉伸強(qiáng)度較高，斷口的韌窩更多，焊點(diǎn)的塑性更好。故Fe顆粒的添加可以改善Sn-0.7Cu釬料合金釬焊接頭的可靠性。

圖4 不同時(shí)效溫度下Sn-0.7Cu接頭拉伸斷口形貌

圖5 不同時(shí)效溫度下Sn-0.7Cu-0.05Fe接頭拉伸斷斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)隨著時(shí)效溫度的提高，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬焊接頭微觀組織和Cu6Sn5化合物粗化，Cu6Sn5化合物由針狀逐漸演變?yōu)榘魻?。Fe顆粒的添加可以抑制Sn-0.7Cu-xFe釬料中Cu6Sn5的粗化程度。

(2)Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬料釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)效溫度的升高逐漸降低，同時(shí)Sn-0.7Cu-0.05Fe接頭的抗拉強(qiáng)度要高于Sn-0.7Cu。

(3)Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe釬料釬焊接頭斷口形貌主要由韌窩和河流解理花樣組成，且隨時(shí)效溫度的升高釬料釬焊接頭的斷裂機(jī)制由塑性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。Fe顆粒因抑制了Cu6Sn5的粗化而改善Sn-0.7Cu釬料合金接頭的可靠性。

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TG407

2017-05-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：51401037，51505040)；江蘇省科技廳工業(yè)支持項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：BK20141228)。

宋兵兵，1992年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)殡娮臃庋b。

楊 莉，1966出生，博士，教授。主要從事材料加工及表面強(qiáng)化方面的教學(xué)和科研工作，已主持完成省部級(jí)以上項(xiàng)目10余項(xiàng)。