Cu/Sn-58Bi-xEr2O3/Cu钎焊接头微观组织和力学性能的研究

(1.苏州大学 机电工程学院,江苏 苏州 215000； 2.常熟理工学院 汽车工程学院,江苏 常熟 215500)

Cu/Sn-58Bi-xEr2O3/Cu钎焊接头微观组织和力学性能的研究

石小龙1杨莉2张尧成2王国强1周仕远1

(1.苏州大学 机电工程学院,江苏 苏州 215000； 2.常熟理工学院 汽车工程学院,江苏 常熟 215500)

研究了不同含量的纳米Er2O3颗粒对Sn-58Bi钎料的铺展性能、钎焊接头微观组织和力学性能的影响。结果表明，添加微量的纳米Er2O3颗粒细化了Sn-58Bi钎料的微观组织、改善了Sn-58Bi钎料的铺展性能和力学性能。当纳米Er2O3颗粒的添加量为0.075%(质量分数)时，Sn-58Bi复合钎料得到了最佳的铺展性能， 比Sn-58Bi钎料的铺展系数增大了5.1%；当添加量为0.05%(质量分数)时，Sn-58Bi钎料的组织明显细化且到了最大的抗拉强度89 MPa，比Sn-58Bi共晶钎料的抗拉强度增大了11.5%。

锡铋共晶钎料纳米氧化铒颗粒钎焊接头微观组织力学性能

0 序 言

由于Sn-Pb钎料对环境有害，目前主要研究的钎料是在Sn基中加Bi,Cu,Ag,Zn构成的合金系。Sn-Bi钎料因具有无晶须、熔点低、可焊性好等优点，在低温电子封装领域具有很大的应用前景。但由于Bi的脆性大且长时间处于高温环境中容易变粗大影响了焊点的可靠性。

为了提高Sn-Bi钎料性能，一种有效的方法是加入第二组元减缓Bi相的粗化。葛进国等人[1]通过向Sn-58Bi钎料加入Ce细化了钎料的基体组织，提高了Sn-58Bi钎料的力学性能；Ma等人[2]研究了纳米石墨烯片对Sn-58Bi钎料组织和力学性能的影响，发现纳米石墨烯片细化了Sn-58Bi钎料的微观组织，提高了Sn-58Bi钎料润湿性和抗蠕变性能; A. k. Gain等人[3]在Sn-58Bi无铅钎料中添加纳米镍颗粒，研究了界面IMC的生长机制，发现添加纳米镍颗粒减缓了IMC的长大，但在Sn-58Bi中添加 Er2O3微颗粒的研究鲜有报道。文中研究微量纳米Er2O3颗粒对Sn-58Bi钎料组织和力学性能的影响。

1 试验材料和方法

所选基体材料为Sn-58Bi(纯度为99.95%)共晶焊膏，所选增强相为纳米Er2O3颗粒(纯度为99.99%)，所有材料储存在低温保温箱的玻璃试管中。采用机械搅拌的方法制备Sn-58Bi-x% Er2O3(质量分数x分别为0,0.025%,0.05%,0.075%,0.1%)复合钎料膏，用FA2104N电子天平称取0.23±0.000 5 g 置于F4N回流焊炉做回流焊试验，用试样铺展系数K表征其铺展性能，K值越大钎料的铺展性能越好，计算公式如式(1)[4]:

(1)

式中,K为Sn-58Bi复合钎料的铺展系数；D为与钎料体积相等的球体直径；H为钎料在铜片上的铺展高度。将制备好的钎料经打磨、抛光、腐蚀(4%的硝酸酒精溶液)后用Olympus光学显微镜观察其微观组织和金属间化合物(IMC)的形貌；制作Cu/Sn-58Bi-xEr2O3/Cu微型钎焊接头如图1所示，用PTR1102结合强度测试仪测试钎焊接头抗拉强度。

图1 Cu/Sn-58Bi-xEr2O3/Cu钎焊接头

2 试验结果及分析

2.1 钎焊接头微观组织

图2为Sn-58Bi-xEr2O3的微观组织。图2a中黑色组织为β-Sn相，白色组织为富Bi相，呈片层共晶分布。随着纳米Er2O3颗粒含量的增加，Sn-58Bi钎料的微观组织先逐渐细化如图2a～2c所示。Sn-58Bi共晶钎料形核的主要阻力是晶核的表面能，纳米Er2O3颗粒降低了形核的表面能，Sn-58Bi共晶钎料晶核依附于纳米Er2O3颗粒的固相质点表面形核。凝固的过程中随着新晶核不断产生和晶粒的长大，单位体积内Sn-58Bi-0.05Er2O3的晶粒数量比Sn-58Bi多，抑制了晶粒的进一步长大，起到了细化晶粒的作用。继续增加纳米Er2O3颗粒，复合钎料微观组织又逐渐变得粗大如图2c～2e所示，纳米Er2O3颗粒之间存在静电力和库仑力导致软团聚，细化晶粒的作用减弱，导致了晶粒粗化。

图2 Sn-58Bi-xEr2O3钎料的微观组织

2.2 钎缝中金属间化合物的形貌

Sn-58Bi-xEr2O3复合钎料金属间化合物(IMC)形貌如图3所示。靠近铜片一侧的金属间化合物比较平整，靠近钎料基体的一侧的金属间化合物呈现凹凸不平的贝扇状。Cu原子向钎料基体扩散与Sn结合，以纳米Er2O3颗粒为形核质点形成化合物Cu6Sn5或Cu3Sn。图4是Sn-58Bi-xEr2O3复合钎料厚金属间化合物厚度变化曲线。金属间化合物厚度的计算公式如式(2):

(2)

式中,LIMC为所采集图片界面金属间化合物的厚度；St为所采集图片的面积；NIMC为采集图片的像素；Nt为所采集的整张图片的像素；Lt为所采集图片的长度。随着Er2O3含量的增加，金属间化合物厚度先逐渐变厚，当含量为0.05(质量分数，%)时，厚度值最大，这是由于纳米Er2O3颗粒有利于界面IMC形核，促进了IMC向含有Er2O3的钎料基体方向的生长。当Er2O3的含量进一步增加时，IMC层又逐渐变薄。加入过量的纳米Er2O3颗粒导致了团聚不利于Cu6Sn5或Cu3Sn晶核的产生和生长，导致了金属间化合物厚度的减小。

2.3 钎料在铜片上的铺展性能

图5是Sn-58Bi-xEr2O3复合钎料铺展系数变化曲线。随着纳米Er2O3颗粒含量的增加，复合钎料的铺展系数呈现先上升后下降的趋势。当Er2O3含量为0.075(质量分数，%)时，复合钎料的铺展系数最大为82%，比Sn-58Bi钎料的铺展系数增大了5.1%。Sn-58Bi钎料在铜片上的铺展性能主要受γ1(铜片与空气的界面张力)、γ2(钎料与铜片的界面张力)和γ3(钎料与空气的界面张力)影响[5]，纳米Er2O3颗粒的含量不同时，γ1与γ3大小相同(Er2O3不会被氧化，钎料基体含微量的Er2O3不影响钎料与空气的张力)，Er2O3颗粒减小了γ2的值，改善了钎料的铺展性能。继续增加Er2O3的含量，铺展性能又呈现恶化的趋势。过量的纳米Er2O3颗粒会增大γ2的值,从而恶化了其铺展性能。

图3 Sn-58Bi-xEr2O3钎焊接头金属间化合物形貌

图4 Sn-58Bi-xEr2O3钎焊接头金属间化合物厚度

图5 Sn-58Bi-xEr2O3钎料的铺展系数

2.4 钎焊接头的抗拉强度

Cu/Sn-58Bi-xEr2O3/Cu复合钎料焊接头的抗拉强度测试结果如图6所示。从图中可以看出，Sn-58Bi共晶钎料的抗拉强度为78 MPa,当Er2O3含量的增加到质量分数为0.025%和0.05%，钎料的抗拉强度都有不同程度的提高。当纳米Er2O3颗粒的含量为0.05%时，复合钎料的抗拉强度最大为89 MPa，幅度为Sn-58Bi共晶钎料的11.5%。纳米Er2O3颗粒细化了Sn-58Bi钎料晶粒,如图2所示，细晶强化增大了复合钎料的抗拉强度。另外，细小的纳米Er2O3颗粒进入到了钎料晶格间隙或节点，造成晶格畸变增大了位错运动的阻力，增强了钎料的抗拉强度。当Er2O3的含量继续增加时，复合钎料的抗拉强度又逐渐恶化。这是由于过量的纳米Er2O3颗粒易团聚，增大了复合钎料的脆性，导致了钎料接头力学性能的下降。

图6 Sn-58Bi-xEr2O3钎焊接头的抗拉强度

3 结 论

(1)添加微量的纳米Er2O3颗粒改善了Sn-58Bi钎料的铺展性能，含量为0.075(质量分数，%)时得到了最大的铺展系数82%，相比于Sn-58共晶钎料增大了5.1%。

(2)纳米Er2O3颗粒的含量为0.05(质量分数， %)时，Sn-58Bi复合钎料的微观组织最为细小且得到了最佳的抗拉强度值89 MPa。

(3)综合考虑Sn-58Bi-xEr2O3复合钎料的显微组织、铺展性能和力学性能，纳米Er2O3颗粒的最佳含量为0.05～0.075(质量分数，%)。

[1] 葛进国，杨 莉，宋兵兵，等. Cu/Sn-58Bi-xCe/Cu钎焊接头基体组织和力学性能的研究[J]. 热加工工艺, 2016，45(11)：239-241.

[2] Ma Y，Li X Z，Zhou W，et al. Reforcement of graphene nanosheets on the microstructure and properties of Sn58Bi lead-free solder[J]. Materials and Design, 2017，113: 264-272.

[3] Grain A K，Zhang L C，Growth mechanism of intermetallic compound and mechanical properties of Ni nanoparticle doped low melting temperature tin-bismuth Sn-Bi)solder[J]. Mater Electron, 2016,27: 781-794.

[4] Yang L，Zhang Y C. Effect of BaTO3on the microstructure and mechanical properties of Sn1.0Ag0.5Cu lead-free solder [J]. Journal of Material Science: Materials in Electronics，2015，26(1): 613-619.

[5] Shen J，Pu Y Y，Yin H G，et al. Effects of Cu，Zn on the wettability and shear mechanical properties of Sn-Bi-based lead-free solder[J]. Journal of Electronic Materials, 2014，44(1)：532-541.

2017-03-29

江苏省自然科学基金项目(BK2014228);国家青年基金项目(51505040)。

TG407

石小龙，1994年出生，硕士研究生。主要研究方向为新材料的制备及加工。