Sn58Bi-xW復(fù)合釬料焊點(diǎn)微觀組織及性能的研究

王國強(qiáng)，楊 莉，張堯成

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Sn58Bi-W復(fù)合釬料焊點(diǎn)微觀組織及性能的研究

王國強(qiáng)1，楊 莉2，張堯成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）

采用SEM、EDX等手段，研究了Sn58Bi-W釬料潤濕性能、組織形貌及焊點(diǎn)接頭力學(xué)性能。結(jié)果表明：適量W顆粒可以提高Sn58Bi潤濕性，隨著W顆粒含量的增加，釬料的潤濕性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，W質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時潤濕性最好，其鋪展面積為132.73 mm2。W顆?？梢杂行Ъ?xì)化Sn58Bi釬料合金的微觀組織，減小焊點(diǎn)界面IMC厚度，當(dāng)W添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，Sn-58B釬料的微觀組織最為細(xì)小，界面IMC的厚度為0.71 μm，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)101.6 MPa。

Sn58Bi釬料；W顆粒；潤濕性能；微觀組織；IMC；拉伸性能

Sn58Bi釬料憑借其較低的封裝溫度，不僅在釬焊過程中可降低焊材熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的損害，也可使不具備高溫性能的廉價電子元件和電路板得以使用。但SnBi釬料也存在一些不足：首先，Bi作為一種脆性元素，合金延展性小，使得其加工性能和使用性能顯著惡化；其次，SnBi釬料的焊接性能有待提高以防止焊點(diǎn)的剝離現(xiàn)象。

針對上述問題，國內(nèi)外很多學(xué)者采用顆粒增強(qiáng)手段以改善釬料性能，從而提高焊點(diǎn)服役可靠性。景延峰等[1]在SnBi釬料中添加Al2O3顆粒，發(fā)現(xiàn)Al2O3顆?？捎行Ъ?xì)化SnBi釬料組織，提高焊點(diǎn)力學(xué)性能。王小京等[2]研究發(fā)現(xiàn)加入一定量的合金元素Cu和Zn可以細(xì)化SnBi合金的組織并提高焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度。Zhang等[3]研究發(fā)現(xiàn)Sb顆粒能提高SnBi合金的剪切強(qiáng)度。董昌慧等[4]發(fā)現(xiàn)微量Co的添加使SnBi合金的抗拉強(qiáng)度和塑性都有了一定程度的提升。何鵬和王大勇等[5-6]同樣發(fā)現(xiàn)，適量Sb元素?fù)诫s可細(xì)化SnBi組織，從而改善焊點(diǎn)力學(xué)性能。

前人在SnBi中添加增強(qiáng)顆粒做了大量研究，研究結(jié)果表明Co、Mo、Ag、Sb等對SnBi釬料的性能都分別有不同程度的提升。由于鎢熔點(diǎn)極高，硬度很大，蒸氣壓很低，蒸發(fā)速度也較小，化學(xué)性質(zhì)也比較穩(wěn)定，并且之前對顆粒鎢增強(qiáng)SnBi釬料的研究幾乎沒有。因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選擇增強(qiáng)顆粒鎢作為添加組分，研究增強(qiáng)顆粒鎢對Sn-58Bi釬料潤濕性、顯微組織、界面IMC層生長行為及力學(xué)性能的演變規(guī)律，為SnBi釬料的推廣使用提供理論支撐。

1 實(shí)驗材料及方法

采用機(jī)械攪拌法制備W質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.025%，0.05%，0.1%，0.2%，0.4%的Sn58Bi復(fù)合釬料，增強(qiáng)顆粒W顆粒尺度為20~100 nm。將紫銅片打磨、清洗并烘干，在F4型回流焊機(jī)上進(jìn)行潤濕性及力學(xué)性能焊點(diǎn)的制備。采用掃描儀掃描焊點(diǎn)后，利用AutoCAD的查詢功能測定釬料鋪展面積來評價釬料的潤濕性；采用Olympuds顯微鏡觀察分析焊點(diǎn)的組織及界面IMC的形貌，EDX能譜分析組織及界面元素成分，PTR1102型結(jié)合強(qiáng)度測試儀測試焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度，掃描電鏡采集拉伸斷口形貌。

2 實(shí)驗結(jié)果及分析

2.1 釬料的潤濕性能

稱取0.23 g的釬料置于紫銅片中心位置進(jìn)行回流焊，Sn58Bi-W釬料鋪展面積如圖1所示?？梢?，Ｗ顆粒的添加可以改善Sn58Bi釬料鋪展性能，SnBi-W釬料鋪展面積隨Ｗ含量增加呈先增大后減小的趨勢。Sn58Bi釬料在銅基板上的鋪展面積為50.14 mm2，當(dāng)W顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時，釬料的潤濕性能最佳，鋪展面積達(dá)到了132.73 mm2，但當(dāng)W顆粒的添加量繼續(xù)增加，復(fù)合釬料的鋪展面積減小，潤濕性變差。這是由于納米W顆粒活性強(qiáng)，且極易表面富集，從而降低了液態(tài)釬料表面張力，增加釬料流動性，使?jié)櫇裥缘玫矫黠@改善，但在納米W繼續(xù)增加時，由于納米W顆粒之間存在范德華力，導(dǎo)致W顆粒團(tuán)聚，液態(tài)釬料粘度增大，鋪展性能降低，潤濕性變差。潤濕實(shí)驗結(jié)果表明，SnBi-W復(fù)合釬料性中Ｗ顆粒的最佳添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%。

圖1 Sn58Bi-xW釬料的鋪展面積

2.2 釬料的顯微組織

圖2為Sn58Bi及Sn58Bi-W微觀組織照片。從圖2(a)可看出，Sn58Bi的微觀組織由白色的富Bi相和黑色的富Sn相組成，由呈片狀共晶和富Sn相枝晶組成。圖2(b~d)分別是加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.025%~0.1% W顆粒的復(fù)合釬料的組織，可以看出微量W顆粒的添加可有效細(xì)化Sn58Bi釬料合金組織，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，組織最為細(xì)小。圖3為Sn58Bi-0.1W微觀組織的元素分布，從圖3（d）中看出添加的W顆粒已經(jīng)均勻分布在釬料組織中。由于在釬焊過程中彌散分布的納米W顆粒會成為微小的非均質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，增加晶界成分過冷，對晶粒的生長起阻礙作用，從而縮小了共晶組織間距，細(xì)化晶粒。但當(dāng)W顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.1%，組織明顯變得粗大，如圖2(e~f)所示，這是由于納米級增強(qiáng)顆粒具有較高的表面自由能和界面不穩(wěn)定性，在釬焊過程中產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，對釬料的形核和長大趨勢的抑制作用明顯減弱，從而出現(xiàn)了如圖2(e~f)所示的組織粗化現(xiàn)象。當(dāng)W顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，Sn58Bi-W釬料的顯微組織最為細(xì)小致密。

2.3 焊點(diǎn)界面IMC

圖4為Cu/Sn-58Bi-0.1W/Cu焊點(diǎn)界面IMC線性掃描元素分布圖。紅色曲線代表Sn的含量，綠色代表Bi的含量，藍(lán)色代表W的含量，由圖可以看出添加的納米W顆粒不僅在組織中均勻分布而且在界面中也有所分布。線掃的位置貫穿富Sn區(qū)，因此靠近界面的Sn含量相對較多，界面部分Sn元素的含量明顯最多并且存在微量的Bi顆粒，這是由于界面的主要成分是Cu6Sn5。Sn58Bi-W焊點(diǎn)界面IMC層平均厚度統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示?？梢?，隨著W顆粒含量的增加，界面IMC的厚度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，W顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時焊點(diǎn)界面IMC厚度最小，為0.713 μm。當(dāng)W顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~0.2%時，隨著W顆粒含量的增加，焊點(diǎn)的界面IMC層厚度逐漸降低，這是因為在釬焊的過程中，銅基板上的銅原子會向釬料的內(nèi)部遷移，Cu6Sn5晶粒通過非均勻形核的方式在界面形成并長大，而Cu原子沿著晶界或某一晶向擴(kuò)散速度較快，Cu在釬料中的等濃度線呈波浪狀或者扇貝狀分布[7]，因此彌散分布的納米W顆粒在晶界處可阻礙Cu原子遷移，從而抑制了Cu6Sn5的生長行為，同時擴(kuò)散中的Cu原子在溫度梯度方向的運(yùn)動受到抑制，使得Cu原子向附近Cu原子含量較低處擴(kuò)散，使得Sn58Bi復(fù)合釬料焊點(diǎn)的界面IMC層厚度降低且較為均勻生長。當(dāng)添加W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%時，分布在界面處的W顆粒充當(dāng)Cu6Sn5的形核點(diǎn)，降低形核所需的自由能，促進(jìn)了界面的生長，界面明顯變厚。

圖2 Sn58Bi-xW釬料焊點(diǎn)微觀組織

圖3 Sn58Bi-0.1W釬料焊點(diǎn)微觀組織元素分布

圖4 Sn58Bi-0.1W釬料界面線性掃描元素分布

圖5 Sn58Bi-xW釬料界面IMC厚度

2.4 拉伸性能及斷口分析

圖6為Cu/Sn58Bi-W/Cu焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度的測試結(jié)果，拉伸速率為0.04 mm/s。Cu/Sn58Bi/Cu焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度為84.4 MPa，Ｗ顆粒的添加可提高Sn58Bi釬料接頭的抗拉強(qiáng)度，W顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，復(fù)合釬料焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度最高，為101.6 MPa，隨W含量進(jìn)一步增加，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢。由圖2分析可知，W顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%~0.1%時，隨著Ｗ含量的增加，Sn58Bi復(fù)合釬料的顯微組織明顯細(xì)化，焊點(diǎn)接頭的拉伸性能提高，同時Ｗ顆?？梢猿洚?dāng)?shù)诙噘|(zhì)點(diǎn)，在外部拉伸作用下阻礙晶界處位錯的運(yùn)動，并造成位錯塞積，為使塞積的位錯進(jìn)一步運(yùn)動，必須施加更大的外力，并在斷裂的過程中吸收更多的能量，使其在拉伸過程中不易發(fā)生斷裂，因而表現(xiàn)出較高的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)Sn58Bi釬料中的W顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.2%~0.4%時，復(fù)合釬料接頭的抗拉強(qiáng)度逐漸減少到91.3 MPa。從圖2(e~f)可知，過量的W顆粒使釬料的顯微組織粗化，而粗大的脆硬Bi相與軟Sn相的界面可作為裂紋形核點(diǎn)，在拉應(yīng)力作用下易擴(kuò)展長大而發(fā)生斷裂，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的降低[8-9]。

圖6 Sn58Bi-xW接頭抗拉強(qiáng)度

圖7為Sn58Bi釬料和Sn58Bi-0.1W復(fù)合釬料焊點(diǎn)斷口SEM形貌。圖7(a)中斷口呈河流花樣，局部有少量臺階斷口形貌，斷裂模式整體呈脆性斷裂。圖7(b)斷口凹凸不平，在斷口表面存在大量不同直徑的韌窩，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征，可見適量的Ｗ顆粒的添加可以改善Sn58Bi焊點(diǎn)的塑韌性。

3 結(jié)論

（1）Ｗ顆粒的添加可以改善Sn58B釬料的潤濕性，隨著W含量的增加，釬料的潤濕性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，Sn58Bi-0.05W復(fù)合釬料的潤濕性最佳，其鋪展面積最大，為132.73 mm2。

（2）納米W顆?？梢燥@著細(xì)化Sn58Bi釬料合金的微觀組織，當(dāng)W質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，組織最為細(xì)小。SnBi復(fù)合釬料的界面IMC厚度隨著W質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加(0~0.2%)逐漸變薄，當(dāng)W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時，界面明顯變厚。

圖7 Sn58Bi-xW釬料拉伸斷口形貌

（3）適量W顆粒的添加有利于提高Sn-Bi的抗拉強(qiáng)度，源于點(diǎn)狀W顆粒引起的彌散強(qiáng)化和位錯塞積作用，Sn58Bi-0.1W復(fù)合釬料接頭的抗拉強(qiáng)度為101.6 MPa，拉伸性能最佳。

（4）適量的W顆粒的添加可以改善Sn58Bi復(fù)合釬料焊點(diǎn)拉伸斷口形貌，在斷口表面存在大量不同直徑的韌窩，出現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征。

[1] 景延峰, 楊莉, 葛進(jìn)國, 等. Al2O3顆粒對Sn58Bi釬料組織及力學(xué)性能的影響 [J]. 熱加工工藝, 2015, 44(21): 196-200.

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（編輯：陳渝生）

Microstructure and mechanical properties of Sn58Bi-Wcomposite solder

WANG Guoqiang1, YANG Li2, ZHANG Yaocheng2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Suzhou University, Suzhou 215000, Jiangsu Province, China; 2. School of Automotive Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, Jiangsu Province, China)

By using methods of SEM, EDX, etc., the wettability, microstructure and mechanical properties of Sn58Bi-W solder were studied. The results show that Sn58Bi wettability can be improved by adding proper amount of W particles. With the increase of W content, the wettability of brazing filler metal increases firstly and then decreases. When the mass fraction of W is 0.05%, The wettability is the best, and its spreading area is 132.73 mm2. W-particles can effectively refine the microstructure of Sn58Bi solder alloy and reduce the thickness of IMC in the interface. When the addition amount of W is 0.1% (mass fraction), the microstructure of Sn-58B solder is the smallest, the thickness of interface IMC is 0.71 μm, and the tensile strength of the solder joint is the highest, reaching 101.6 MPa.

Sn58Bi solder; tungsten particles; wettability; microstructure; IMC; tensile property

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.014

TG40

A

1001-2028（2017）11-0078-05

2017-09-29

楊莉

楊莉（1966－），女，陜西西安人，教授，從事材料加工及表面強(qiáng)化方面的研究，E-mail: yangli2011@cslg.cn ；

王國強(qiáng)（1992－），男，河南信陽人，研究生，從事材料加工及表面強(qiáng)化方面的研究，E-mail: changjiang1990610@qq.com。

2017-11-02 15:47

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