SnAgCu系软钎料钎焊接头的熔化特性和力学性能研究*

2021-07-20刘树龙朱明成江正卓朱嘉仪

科技创新与应用 2021年19期

邱天，刘树龙，朱明成，闫萍，高超，江正卓，朱嘉仪

（1.淮北师范大学生命科学学院，安徽淮北235000；2.淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北235000）

Sn-Pb合金拥有良好综合性，熔点低且方便易操作，同时还能够和合金、铜产生较好润湿作用，被广泛应用于钎焊领域[1]。由于含有铅钎的材料不同程度地破坏人体健康和生态环境，所以近年来愈来愈多研究者展开对无铅钎料的深入研究，在现有研究成果中主要集中研究的无铅合金系列材料，有Sn-Ag、An-Cu、Sn-Ag-Cu等[2-3]。其中本文研究的SnAgCu系因为具备的优越润湿性、力学性能，逐渐成为极具发展前景的含铅钎料替代品[4]。但是此类材料在实际应用中，因为合金系的延展性较差，再加上蠕变所致材料的使用期限较短。所以将微量稀土元素加入材料中，如将0.05%浓度的稀土加入Sn-9Zn共晶合金中，可以十分明显地细化晶粒，又或将微量稀土加入Sn-Ag-Bi合金中，多个研究结果表明很大程度改善了合金材料的拉伸性、抗疲劳性[5-6]。在本文针对SnAgCu系钎料合金加入微量稀土后，钎焊接头的熔化特性及力学性能改变情况，研究了加入不同Ni含量后，Sn2.5Ag0.7Cu0.1系软钎料钎焊接头所受Ni含量的影响。

1 微电子连接无铅钎料合金成分设计制备

正交试验作为目前研究界比较理想的一种优化实验方案，在正交试验中可以通过最少实验次数，多因素寻找对试验结果有所影响的最优化组合。在本次实验中明确了初始三因素分别是Sn、Ag、Cu，每一个因素分别取三成分水平（见表1），为三因素三水平设计实验方案，经单因素实验分析钎料合金性能的影响规律。

表1 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金正交实验因素水平表

因为考虑到稀土是较活泼元素结合以往文献经验，本次试验采用了真空熔炼制备法，采用超过99.9%纯度质量分数的Sn、Ag、Cu、Ni和富Ce、La混合所得的Re为原材料，制备铅合金最终Ni残留量（见表2）。

表2 钎料合金RE残留量

2 实验

2.1 制备钎料合金

本次试验前期通过运用Sn、Ag、Cu、Ni和富Ce、La均超99.9%纯度，在混合后所得Re作为原材料，运用真空熔炼法设定了5×10-3Pa真空度的电炉参数，在非自耗电炉经过熔炼后，成功获得了Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi钎料合金。在这个制备过程中，为了获得钎料合金将不同含量Ni加入其中，分别是0、0.01%、0.05%、0.1%、1%。

2.2 钎料合金显微组织及性能检测

2.2.1 显微组织

将金相试样采用环氧树脂冷镶，在钎料铸锭内成功截取后，采用金相水砂纸对试样作打磨抛光处理，然后完成约10s的试样腐蚀，运用了4%浓度的酒精溶液，完成腐蚀后采用扫描电镜、光学金相显微镜对钎料合金的显微组织进行观察分析。

2.2.2 熔化特性

针对上面自制钎料合金，为了分析熔化特性，本次试验采用了PCR-1型差热分析仪，运用该设备对合金试样的固相、液相两种线温度成功测取，分别用Ts和T1表示。本次熔化特性试验设定了仪器量程250mV，升温速度2℃/min，在差热测取时运用台式自动平衡记录仪，走纸速度设为4mm/min。

2.2.3 钎料合金力学性能

运用了万能材料试验机完成对不同Ni含量的钎料合金抗拉强度测试，设定1mm/min的试验过程中拉伸速率，图1为本次钎料合金在拉伸中的试样形式。

图1 拉伸试样

2.3 钎焊试验

根据制备Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi钎料合金，钎焊原材料通过硬铝材料加工所制卡具，组装试样之后置入立式电炉作加热处理，450℃钎焊温度，进行7min钎焊后采用22%浓度w（NH4CL）混合2%浓度w（ZnCL2）所得水溶液成功自制钎剂，图2为本次试验的钎焊接头试样图。

图2 钎焊接头试样

2.4 蠕变试验

完成对加入不同Ni含量的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi钎料合金接头试样，设定16.72Mpa、65℃试验条件下，展开试样蠕变使用期限测试。

3 结果与分析

3.1 钎料合金显微组织性能

根据如上试验条件下所获不同Ni含量钎料合金显微组织，能够发现所获钎料合金在显微组织中，主要由β-Sn和共晶组织组成。参考以往文献试验观点结合本次试验结果，可以发现Ag3Sn、Cu6Sn5两相在共晶组织内。因为本次试验过程中加入了不同含量的Ni，所以晶界最终生成了不同形状的网状金属化合物，不同的Ni添加含量也产生了十分明显的显微组织微观形貌差别。其中在Ni为0.05%添加含量情况下，获得了最为细密且均匀的显微组织。在加入RE、Ni后对金属件化合物长大有明显限制，所以有助于对钎料合金的力学性能及塑韧性充分提升。根据相关文献报道显示，将微量稀土La添加至Cu6Sn5金属间化合物长大驱动力，因为添加的稀土和Ni物理化学性质相似，所以能够获得较细密的显微组织。添加微量稀土极大降低了Cu6Sn5金属化合物的长大驱动力，Sn37Pb显微组织为共晶相，根据晶粒大小能够看出添加适量Ni可以对合金显微组织明显细化。观察网状金属化合物，能够发现有诸多1~2μm白色小颗粒聚焦一起，在黑灰色基体中呈现网状式镶嵌。分析能谱可以发现在网状聚焦白色小颗粒作为Ag3Sn金属间化合物，黑色片状组织作为Cu6Sn5金属间化合物。由显微组织能够发现前者的晶粒明显相较后者更加细密，出现这种情况的关键原因在于，Sn原子半径较Ag原子半径值，较Sn和Cu两原子半径比值要明显小，所以在添加Ni后Ag固溶也就要难于Sn，形成了Ag3Sn晶粒不易长大。

通过设定270℃水洗钎焊温度，完成钎焊后发现添加Ni对于Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE界面层生长影响较大，将Ni添加后界面形态逐渐平缓，能谱分析发现界面层与钎料靠近一侧，有着较多的Cu6Sn5金属间化合物。整个钎焊过程中，能够实现母材及钎料之间的一定作用，提前获得优良的冶金焊点。根据Sn-Cu二元合金平衡图能够发现，在Sn、Cu液态下能够实现无限互溶，固态Cu在Sn内较小溶解度，所以钎焊母材Cu能够溶解液态SnAgCuRE钎料，之后冷却中也会出现更多的Cu6Sn5金属间化合物，假若Cu溶解量较多还有产生Cu3Sn金属间化合物的可能性。在0.1%Ni添加量时，尽管在Ce、La混合物结果依旧类似于稀土元素摩尔分数发生Cu6Sn5相影响预测情况，明显对晶界金属间化合物生长有所抑制。经测量统计结果表明，Ni未添加之前，在Sn2.5Ag0.7Cu内达到10~20μm的界面层厚，但是在0.1%Ni添加量情况下，厚度减小至1~2μm。添加微量Ni有助于减少钎料组织内的Sn相尺寸，在现有文献中也对这一点有所证实，在富Sn相内逐渐扩散进入Cu原子，IMC会向富Sn内部相逐渐长大。在IMC相逐渐长大至富Sn相界面情况下，会逐渐被相界面阻挡生长。

3.2 钎料合金力学性能

根据图3能够发现由最初添加w（Ni）0.01%浓度逐渐增加至0.1%这个实验过程中，随着Ni含量逐渐增加，随之增强了钎料合金的抗拉强度，发生这一实验现象的关键原因在于，所添加的Ni具有固溶强化作用。并且在加入不同浓度Ni之后，也逐渐增强了钎料合金在晶界的扩散激活性能，与晶界裂纹的表面能，所以明显提升了钎料合金的抗拉强度。但是在添加w（Ni）到1%情况下，却呈现了明显的钎料合金抗拉强度降低趋势。

图3 不同Ni含量下钎料合金抗拉强度变化趋势

3.3 熔化特性

通过本次试验发现在添加w（Ni）0.01%浓度时，钎料合金液相线225℃温度，其他均在226℃，存在较小相差。

3.4 接头蠕变性能

添加不同Ni含量后Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi钎料合金接头试样所发生的钎焊接头试样蠕变使用期限（见表3）。根据表3能够发现，在钎料合金内w（Ni）添加不同含量下，分别在0.05%、1%时钎焊接头蠕变寿命，相较其他三组也明显长，在w（Ni）为1%情况下钎焊接头蠕变使用期限最长。但是Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi钎料合金在实验中综合力学性能、蠕变性能以及物理性能，得出Ni是0.05%添加含量情况下，可以得到最优越的综合性能。