Ag，Sb對(duì)時(shí)效處理的Sn58Bi釬料組織及硬度影響

馬一鳴 儲(chǔ)繼君 呂曉春 孫鳳蓮

摘要： 針對(duì)Sn58Bi釬料高溫易粗化與脆性的問題，采用感應(yīng)熔煉方法制備釬料，研究了Ag，Sb元素添加對(duì)Sn58Bi釬料時(shí)效處理前后的組織與維氏硬度的影響。結(jié)果表明，Sn58Bi釬料在時(shí)效過程中，樹枝晶Bi元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入等軸晶的Bi相中，進(jìn)而造成了釬料組織的粗化;Ag的添加可細(xì)化組織、提高釬料時(shí)效處理前后的釬料硬度，Sb的添加可細(xì)化時(shí)效前組織并降低時(shí)效處理前后的釬料硬度，而Ag和Sb的共同添加使組織的粗化，并降低時(shí)效前硬度、提高時(shí)效后硬度。

關(guān)鍵詞： Sn58Bi; 無(wú)鉛釬料; 微觀組織; 顯微硬度

中圖分類號(hào)： TG 425

Effect of Ag and Sb on microstructure and hardness ofSn58Bi solder after aging treatment

Ma Yiming1， Chu Jijun1， Lü Xiaochun1， 2， Sun Fenglian2

（1.Harbin Welding Institute Co.， Ltd.，? Harbin 150028， Heilongjiang， China; 2. Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， Heilongjiang， China）

Abstract： Aiming at the problem of easy coarsening and brittleness at high temperature for Sn58Bi solder， the solder was prepared by induction melting. The influence of Ag and Sb elements on the morphology and Vickers hardness of Sn58Bi solder after aging treatment was studied. The results showed that during the aging process of Sn58Bi solder，the Bi element of dendritic crystal diffused into the Bi phase of equiaxial crystal， thus causing the coarsening of solder microstructure. The addition of Ag could refine the structure and improve the solder hardness before and after aging treatment， the addition of Sb could refine the solder structure and reduce the solder hardness before and after aging treatment， while the joint addition of Ag and Sb could coarsene the microstructure， and reduced the welded hardness and improved the aging hardness.

Key words： ?Sn58Bi; lead-free solder; microstructure; microhardness

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFF0217404）

0 前言

當(dāng)下電子工業(yè)發(fā)展迅速，微電子產(chǎn)品已經(jīng)涉及到人們生活中的方方面面，信息行業(yè)、通訊行業(yè)、能源行業(yè)等都離不開電子技術(shù)。電子技術(shù)的高密度和高性能特點(diǎn)，使其正逐漸進(jìn)入超高速發(fā)展時(shí)期。但由于各國(guó)對(duì)于禁止Pb的使用立法也已實(shí)施[1-3]，以及“中國(guó)制造2025”對(duì)綠色焊接的要求[4]，均促進(jìn)了無(wú)鉛釬料的應(yīng)用。同時(shí)，由于而大量微型器件的應(yīng)用，因材料熱膨脹系數(shù)不同帶來的翹曲、變形，導(dǎo)致的開裂、橋連及球窩等失效風(fēng)險(xiǎn)越來越大[5]。因此，新時(shí)期對(duì)Sn基釬料提出了無(wú)鉛與降低熔點(diǎn)的要求。

Sn-Bi系釬料因其較低的熔點(diǎn)、對(duì)電子元器件的適用性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)[6-7]，有望成為現(xiàn)階段普遍使用的Sn-Ag-Cu系釬料的替代品，但因其組織脆性與易粗化等方面的不足制約了該體系釬料的應(yīng)用[8-9]。Suganuma等人[10]通過熱計(jì)算，指出Sn57Bi中初生Ag3Sn形成的邊界含量約為0.8%，并證明了添加1.0%的Ag可形成較大的初生Ag3Sn沉淀，而在Sn57Bi0.5Ag中未發(fā)現(xiàn)初生Ag3Sn。此外，朱路等人[11]還發(fā)現(xiàn)，隨著Ag含量的升高，組織中出現(xiàn)Ag3Sn初生相并逐漸粗化，并由于凝固過程中的形核質(zhì)點(diǎn)增加組織發(fā)生細(xì)化。Zhang等人[12]通過對(duì)Sn-Bi中添加1.8%～2.4%的Sb研究發(fā)現(xiàn)，Sb參與了界面反應(yīng)，隨Sb含量的增加，界面IMC的總厚度增加。釬料剪切斷口為韌窩形貌，并隨著Bi的下降、Sb的上升，展現(xiàn)出更好的韌性。

以上研究對(duì)釬料及焊點(diǎn)的性能進(jìn)行了細(xì)致的研究，但對(duì)釬料時(shí)效處理的組織變化沒有進(jìn)行對(duì)比。因此，文中針對(duì)Ag，Sb的添加對(duì)釬料時(shí)效前后的組織變化及對(duì)硬度的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用感應(yīng)熔煉方法制備了6種合金成分釬料，其化學(xué)成分見表1。

將熔煉的釬料用線切割制成薄片，經(jīng)過磨削、清洗等措施去除釬料表面影響釬焊性能的物質(zhì)。制取同質(zhì)量的薄片在甘油中熔煉制備成650～750 μm釬料球。選擇10.0 mm×10.0 mm×1.0 mm的紫銅片為試件，在180 ℃×30 s條件下進(jìn)行焊接，焊后對(duì)試樣進(jìn)行100 ℃×300 h的時(shí)效處理。對(duì)焊點(diǎn)橫截面進(jìn)行等軸晶Bi相含量ωBi及共晶片層間距λE的測(cè)量（OLYMPUS GX51/OLYCIA m3金相軟件），并依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行維氏硬度測(cè)試（華銀 HVS-1000A）。測(cè)量共晶片層間距時(shí)，在1個(gè)隨機(jī)視場(chǎng)中沿垂直于片層的方向，測(cè)量k個(gè)片層平行較好的長(zhǎng)度（每個(gè)片層包含1層β-Sn與1層Bi相），該長(zhǎng)度除以k則為該視場(chǎng)的共晶片層間距，取每種釬料5個(gè)隨機(jī)視場(chǎng)的平均值作為其共晶片層間距。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Ag，Sb對(duì)釬料時(shí)效前后組織形貌的影響

如圖1所示，在空冷條件下Sn58Bi釬料結(jié)晶的時(shí)效前組織為樹枝晶+等軸晶2種形態(tài)的（Sn+Bi）共晶組成（圖1a），其中樹枝晶中Bi相含量明顯低于β-Sn，等軸晶中Bi相含量略高于β-Sn。如圖2所示，經(jīng)100 ℃×300 h時(shí)效后發(fā)現(xiàn)，釬料中未形成新相，原樹枝晶區(qū)域變?yōu)楹谏?Sn相+少量Bi相顆粒，其共晶特征完全消失，原等軸晶區(qū)域形成塊狀Bi相且片層間距明顯增大（圖2a）。說明樹枝晶中的Bi相經(jīng)時(shí)效后發(fā)生分解，Bi元素通過擴(kuò)散進(jìn)入等軸晶中的Bi相，造成了Bi相的聚集與等軸晶的粗化（圖1b）。

對(duì)比圖1與圖2，添加Ag，Sb的釬料時(shí)效后均未見新相形成，同樣發(fā)生了Bi相的聚集與組織的粗化。由圖3可知，相比于Sn58Bi釬料，Sb的添加可降低時(shí)效前時(shí)等軸晶的Bi相含量ωBi與時(shí)效后的共晶片層間距λE，而Ag的添加則可明顯細(xì)化λE，均加快了時(shí)效過程中的Bi元素的擴(kuò)散速度，造成了的ωBi增加。

由圖3可知，相比于Sn58Bi-1Ag釬料，Ag和Sb的共同添加造成了釬料時(shí)效前后組織的粗化，隨Sb含量的增加呈先快速升高后緩慢下降的趨勢(shì)。這應(yīng)是當(dāng)添加少量Sb時(shí)，不僅使得Sb與Sn可生產(chǎn)SnSb造成Sn的消耗，還使得時(shí)效前樹枝晶含量增加（圖4），造成局域成分偏析加劇，這都會(huì)使釬料熔點(diǎn)升高，繼而增加了共晶形成后的在高溫停留的時(shí)間，延長(zhǎng)了共晶長(zhǎng)大的時(shí)間;當(dāng)Sb的添加增加時(shí)，液相中可形成更多的SnSb，使得作為形核質(zhì)點(diǎn)的SnSb促進(jìn)共晶的形成能力增強(qiáng)，因此隨著Sb的增加λE發(fā)生降低。

相比于Sn58Bi時(shí)效后等軸共晶片層間距的86.9%的增幅，Ag的添加或Ag，Sb的共同添加均可以使粗化增幅降低，但隨著Sb含量增加，增幅逐漸增大。

2.2 Ag，Sb對(duì)釬料時(shí)效前后硬度的影響

時(shí)效處理后無(wú)新相形成，樹枝晶中質(zhì)軟的β-Sn占比較大，等軸晶中較硬的Bi相是引起Sn58Bi釬料脆性與粗化的關(guān)鍵，為研究時(shí)效處理對(duì)釬料硬度的影響，選擇對(duì)硬度貢獻(xiàn)更大的等軸晶作為研究對(duì)象。此外，由強(qiáng)化機(jī)制（固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、相變強(qiáng)化）可知，釬料等軸晶硬度應(yīng)受固溶強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化的共同影響。其中Bi相含量是影響固溶強(qiáng)化的主要因素，而共晶片層間距是影響細(xì)晶強(qiáng)化的主要因素，因此硬度應(yīng)隨Bi相含量的升高而增大，隨共晶片層間距的增大而減小。

如圖5所示，與Sn58Bi釬料相比，Sb的添加會(huì)降低釬料等軸晶硬度，Ag的添加會(huì)提高釬料等軸晶硬度，而Ag，Sb的共同添加則會(huì)降低等軸晶時(shí)效前硬度，但會(huì)提高等軸晶時(shí)效后硬度，且隨著Sb含量增加等軸晶時(shí)效后硬度呈先下降后升高的趨勢(shì)。

釬料時(shí)效后等軸晶中Bi相含量的增大使得等軸晶中較硬相Bi相增加造成硬度的增大，而等軸晶共晶片層間距增大則使得相界減少造成硬度減小。如圖3所示，對(duì)于Sn58Bi，Sn58Bi-1Sb和Sn58Bi-1Ag釬料，時(shí)效后其等軸晶硬度減小，說明這些釬料時(shí)效后的等軸晶硬度受共晶片層間距的影響更為顯著。而對(duì)于添加Ag和Sb的釬料，時(shí)效后硬度增大，這說明Ag和Sb的共同添加使得共晶片層間距對(duì)等軸晶硬度作用程度減小，造成時(shí)效后等軸晶的硬度主要受Bi相含量的影響。

3 結(jié)論

（1）Sn58Bi釬料在時(shí)效過程中，樹枝晶內(nèi)的Bi相發(fā)生分解，而使得Bi元素通過擴(kuò)散進(jìn)入等軸晶的Bi相中，進(jìn)而造成了釬料組織在時(shí)效過程中的粗化。

（2）與Sn58Bi釬料相比，Ag的添加細(xì)化了釬料的組織，Sb的添加細(xì)化了時(shí)效前組織加快組織粗化速度，而Ag和Sb的共同添加使組織的粗化，但可降低粗化增幅。

（3）Ag的添加會(huì)提高釬料等軸晶硬度，Sb的添加會(huì)降低釬料等軸晶硬度，Ag，Sb的共同添加則會(huì)降低時(shí)效前硬度、提高時(shí)效后硬度，且使得時(shí)效后的等共晶硬度主要受Bi相含量的影響。

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