Sn-0.7Cu-xNb复合钎料微观组织和力学性能

刘政，张尧成，徐宇航，刘坡

(1.桂林航天工业学院，广西 桂林 541004；2.常熟理工学院，江苏 常熟 215500)

0 前言

由于Sn-0.7Cu钎料的原料Sn,Cu储量丰富、价格低廉、无毒副作用，具有易生产、易回收、高导电性等优点，已经在波峰焊和倒装焊中得到了实际应用[1-2]。但Sn-0.7Cu钎料在实际应用中还存在一系列问题，如Sn-0.7Cu无铅钎料与传统Sn-Pb钎料、SnAgCu共晶无铅钎料相比，其熔点高、润湿性差等缺点限制了进一步推广[3]。

为了改善Sn-0.7Cu钎料的性能，在Sn-0.7Cu钎料基体中加入纳米增强颗粒来优化Sn-0.7Cu的性能是一种行之有效的方法[4-5]。Tsao等人[6]研究了纳米TiO2颗粒对Sn-Ag-Cu钎料微观组织和显微硬度的影响，发现TiO2颗粒细化了钎料的微观组织，提高了钎料的显微硬度；Mohd Salleh等人[7]研究了纳米ZrO2对金属间化合物生长行为和力学性能的影响，添加纳米ZrO2颗粒抑制了金属间化合物(IMC)的生长、提高了焊点的硬度和抗剪强度；Kumar等人[8]发现在SnAgCu钎料中添加纳米Fe2O3颗粒，提高了钎料的润湿性，阻碍了界面IMC的生长。

纳米Nb颗粒是一种高熔点金属颗粒，在高温下才能与Sn产生Sn-Nb不稳定的金属化合物；此外纳米Nb颗粒具有较高的硬度且与Sn-0.7Cu钎料具有相近的密度。文中研究在Sn-0.7Cu钎料中添加纳米Nb颗粒，经高温熔炼制备Sn-0.7Cu复合钎料合金，研究纳米Nb颗粒对Sn-0.7Cu钎料微观组织、力学性能及断裂形貌的影响。

1 试验材料及方法

试验用材为纯度99.99%的Sn粉、99.95%的Cu粉及99.99%纳米Nb颗粒粉。采用KSL-1200X箱式电阻炉加热到550 ℃熔炼制备Sn-0.7Cu-xNb(x=0～0.48)复合钎料合金。采用Olympus GX51光学显微镜观察复合钎料合金微观组织。用DK 7740电火花线切割机制备拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示。采用PTR-1102接合强度测试仪测试复合钎料合金的抗拉强度和断后伸长率，加载速率0.04 mm/s，采用INSPECT S50扫描电镜观察拉伸试样断口的形貌。

图1 拉伸试样尺寸

2 试验结果和讨论

2.1 钎料的微观组织

图2为Sn-0.7Cu-xNb钎料的显微组织形貌，从图中可以看出，Sn-0.7Cu-xNb复合钎料的微观组织由白色的初生β-Sn相和灰色网状的β-Sn/Cu6Sn5共晶组织组成。而Sn-0.7Cu钎料合金的微观组织主要呈现共晶组织和粗大的白色树枝状β-Sn相，β-Sn相的平均尺寸约为18.53 μm，如图2a所示。纳米Nb颗粒的添加细化了Sn-0.7Cu钎料的微观组织，随着纳米Nb颗粒含量的增加，钎料的微观组织呈先细化后粗化的趋势。Sn-0.7Cu-0.12Nb复合钎料的微观组织最为细小，β-Sn相平均尺寸为6.93 μm，如图2d所示。当纳米Nb颗粒的含量进一步增加时，β-Sn相逐渐粗化且分布不均匀。当纳米Nb颗粒的含量为0.48%时，β-Sn相平均尺寸为14.13 μm，如图2f所示。纳米Nb颗粒的添加细化了Sn-0.7Cu钎料的微观组织，这是由于纳米Nb颗粒为钎料提供了异质形核的质点[9]，根据活性物质的吸附理论，β-Sn的表面自由能为：

(1)

(2)

由式(2)可知，β-Sn晶粒的表面自由能随纳米Nb颗粒的含量的增加而减少，根据吉布斯自由能可知，表面自由能的下降将抑制β-Sn晶粒的生长速度，即细化了钎料的微观组织[10]。但纳米Nb颗粒达到一定量时，纳米Nb颗粒产生了团聚现象，造成异质形核质点的减少，同时弱化了晶粒生长的抑制作用，导致钎料合金微观组织的粗化[11]。Sn-0.7Cu-0.12Nb复合钎料合金的EDS分析结果如图3所示，钎料合金由Sn，Cu和Nb元素组成，纳米Nb颗粒呈弥散分布状态。

图2 Sn-0.7Cu-xNb钎料的显微组织

2.2 钎料的拉伸性能

Sn-0.7Cu-xNb复合钎料合金的抗拉强度和断后伸长率如图4所示。Sn-0.7Cu钎料的抗拉强度和断后伸长率分别为17.29 MPa和57.18%。随纳米Nb颗粒含量的增加，复合钎料合金的抗拉强度呈现先上升后下降的趋势，而断后伸长率则呈现先下降后上升的趋势。当纳米Nb的含量为0.12%时，复合钎料的抗拉强度达到最大值25.36 MPa，而其断后伸长率则为最小值48.86%。继续增加Nb颗粒的含量，复合钎料合金的抗拉强度逐渐减小而断后伸长率逐渐增大，Sn-0.7Cu-0.48Nb的抗拉强度为19.56 MPa，高于Sn-0.7Cu的抗拉强度，断后伸长率为57.18%，低于Sn-0.7Cu的断后伸长率。适量的纳米Nb颗粒增大了Sn-0.7Cu钎料合金的抗拉强度，可以用式(3)来解释：

图4 Sn-0.7Cu-xNb钎料抗拉强度和断后伸长率

(3)

式中:Rm为临界抗拉强度；∂为常数；f为增强颗粒的体积分数；r为增强颗粒的尺寸。可见，增强颗粒的体积分数越大尺寸越小，临界抗拉强度越大[12]。增强粒子Nb颗粒细化了微观组织，增强了复合钎料的抗拉强度。但纳米Nb颗粒达到一定量时粗化了Sn-0.7Cu钎料的微观组织(图2)。此外，团聚在一起的纳米Nb颗粒在钎料凝固的过程中会导致裂纹的产生，降低了钎料的抗拉强度[7]。

2.3 断口分析

Sn-0.7Cu-xNb复合钎料合金的拉伸断口形貌如图5所示。Sn-0.7Cu-xNb复合钎料合金拉伸断口表面都有撕裂棱和韧窝的存在，说明复合钎料合金的断裂模式为塑性断裂。但不同Nb含量的钎料合金拉伸断口形貌呈现出不同的特征。Sn-0.7Cu钎料拉伸试样断口韧窝尺寸较大且存在明显的撕裂棱特征如图5a所示。随Nb含量的增加，复合钎料合金拉伸试样断口表面韧窝尺寸逐渐变小，均匀分布于断口表面。Sn-0.7Cu-0.12Nb符合钎料拉伸断口表面的韧窝尺寸较小、深度较浅，如图5d所示。韧窝的形成与钎料内Cu6Sn5金属间化合物的出现有关，并且Cu6Sn5的尺寸决定着韧窝尺寸的大小[13]。这表明微量的纳米Nb不仅能细化钎料合金的组织，而且可以抑制合金内Cu6Sn5金属间化合物的长大，使其尺寸更为细小，在一定程度上解释复合钎料抗拉强度增大的原因[14]。随着Nb含量的进一步增加，断口表面韧窝尺寸呈现变大的趋势如图5e、图5f所示，这可能是纳米Nb颗粒达到一定量后出现团聚而减弱了细化组织的作用造成的。

3 结论

(1)添加微量纳米Nb颗粒细化了Sn-0.7Cu复合钎料显微组织，改善复合钎料的组织分布，Sn-0.7Cu-0.12Nb复合钎料的显微组织最为细小。

(2)β-Sn晶粒的表面自由能随纳米Nb颗粒的含量的增加而减少，表面自由能的下降将抑制β-Sn晶粒的生长速度。

(3)Sn-0.7Cu基复合钎料的抗拉强度随Nb含量的增加呈先上升后下降的趋势，断后伸长率变化趋势相反。当Nb含量为0.12%时，复合钎料的抗拉强度最大为25.36 MPa，而当Nb含量为0.06%时，复合钎料的塑性最佳，断后伸长率为62.18%。

(4)Sn-0.7Cu-xNb复合钎料的断裂模式为塑性断裂。随Nb含量的增加，Sn-0.7Cu基复合钎料合金拉伸试样断口表面韧窝尺寸逐渐变小，表明微量的纳米Nb可以抑制合金内Cu6Sn5金属间化合物长大。