Sn-XAg-0.5Cu無鉛釬料熔化特性、潤濕性及力學性能研究

衛國強,萬忠華,趙四勇,張宇鵬,劉鳳美

(1華南理工大學機械與汽車工程學院,廣州510640;2廣州有色金屬研究院焊接材料研究所,廣州510651)

Sn-XAg-0.5Cu無鉛釬料熔化特性、潤濕性及力學性能研究

衛國強1,萬忠華1,趙四勇2,張宇鵬2,劉鳳美2

(1華南理工大學機械與汽車工程學院,廣州510640;2廣州有色金屬研究院焊接材料研究所,廣州510651)

應用差示掃描量熱(DSC)法、潤濕平衡分析技術和拉伸試驗,研究了Sn-XAg-0.5Cu(X=0.1～3.0)無鉛釬料合金的熔化特性、潤濕性能及力學性能。實驗結果表明:所有釬料合金的開始熔化溫度均為217.3℃;隨合金中Ag含量增加,熔化溫度區間變窄。釬料的潤濕鋪展面積和潤濕力隨Ag含量的增加而先顯著增加,而后趨于穩定;對潤濕鋪展面積和潤濕力(或潤濕時間)產生顯著影響的閾值Ag含量為1.0%(質量分數,下同)。Ag含量在0.5%～3.0%時,隨著Ag含量的增加,釬料的斷后伸長率逐漸下降,而抗拉強度和0.2%屈服強度均逐漸增加。

Sn-XAg-Cu無鉛釬料;熔化特性;潤濕性;力學性能

Sn-(3.0～3.9)Ag-(0.5～0.7)Cu(質量分數/%,下同)無鉛釬料由于具有較低的共晶溫度(固相線溫度:Ts=217℃)、較好的綜合力學性能和良好的潤濕性現已在微電子工業中得到廣泛應用[1-3]。但是,該Sn-Ag-Cu系釬料合金在凝固過程中β-Sn存在較大的過冷度,會形成粗大的板條狀Ag3Sn初晶(冷卻速度越慢,Ag3Sn粗化越嚴重),同時在隨后的服役過程中,板條狀Ag3Sn會進一步粗化,導致釬料合金抗沖擊及抗跌落(高應變速率條件)性能明顯降低;另一方面,高的Ag含量使初生β-Sn含量降低,共晶相含量增加,同樣導致更多的粗大的板條狀Ag3Sn存在,致使釬料合金強度指標增加,塑性指標降低,從而降低焊點可靠性[4-6]。此外,由于Ag含量高,明顯增加了釬料的材料成本。

為提高焊點抗沖擊能力及綜合力學性能,降低釬焊材料成本,眾多學者對降低Sn-Ag-Cu共晶無鉛釬料合金Ag含量對熔化溫度、力學性能及界面和焊點內的組織演變進行了研究[7-10],同時通過添加第四合金組元來進一步提高該系無鉛釬料合金的性能[11-13]。D.W.Suh等人對低Ag的Sn-Ag-Cu釬料合金在高應變速率條件下的斷裂性能進行了研究[14],K.S.Lin等人就Ag含量對Sn-Ag-Cu釬料合金焊后時效處理對焊點界面強度的影響進行了研究[16]。但至今為止,Ag含量對Sn-Ag-Cu無鉛釬料合金性能影響的系統研究還不多。基于釬料熔化溫度、力學性能和潤濕性能是評價無鉛釬焊材料性能的重要指標,同時為后期開發四元低Ag含量的Sn-Ag-Cu無鉛釬料合金提供理論基礎,本工作就Ag(0.1%～3.0%)含量對Sn-Ag-Cu無鉛釬料合金熔化特性、潤濕性能及力學性能的影響進行了系統的研究。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

所用的原材料為 Sn-10Cu中間合金、純 Sn(99.95%)和純Ag(99.95%),釬料合金配方為Sn-(X=0.1,0.3,0.5,0.8,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0)Ag-0.5Cu,將稱好的樣品在坩堝中進行熔煉,熔化溫度為400℃,熔煉過程中充分攪拌使成分均勻,然后保溫30min,最后在鋼模中進行澆注。

1.2 熔化特性測試

采用差示掃描量熱分析儀(DSC型號:STA-409-PC)測試釬料合金的熔化特性,實驗前采用標準純 In對儀器進行溫度校正,試樣約為20mg,加熱速率為5℃/min,溫度范圍為 35～300℃,實驗采用 ADAMIS7軟件來記錄各釬料熱流隨溫度的變化規律。

1.3 潤濕平衡實驗

采用可焊性測試儀(型號:SA T-5100)進行潤濕平衡試驗,標準試樣為純銅無鍍層試片,規格為30mm×5mm×0.3mm,釬料浴溫度為250℃(精度:±1℃),浸入深度為2mm,浸入速度為5mm/s,浸入時間為10s,助焊劑為 EF8000(Alpha Metal)。

1.4 潤濕鋪展實驗

用分析天平(精度:±0.1mg)分別稱取各種釬料200mg,然后把釬料放置在溫度為250℃的油浴中,使其變成球狀釬料,自然冷卻后,用超聲波對釬料球進行清洗待用。鋪展實驗的銅基板采用20mm×20mm×2mm的紫銅板(純度為99.95%),實驗前用400#砂紙打磨銅板,然后將打磨好的銅板放入稀HCl(5%)中清洗,再用去離子水沖洗,最后用無水乙醇清洗。潤濕鋪展實驗熱源為錫浴爐,實驗溫度為260℃,保溫時間40s,助焊劑為 EF8000(Alpha Metal),采用數字式求積儀(QCJ-2A)測量釬料合金的鋪展面積。

1.5 室溫拉伸力學性能實驗

將澆注好的棒料加工成標準拉伸試樣,然后在100℃恒溫爐中保溫1h,以除去殘余應力,隨爐冷至室溫。拉伸試驗參照 IPC J STD-004標準,拉伸速度為20.00mm/min。

2 結果與討論

2.1 Ag含量對熔化特性的影響

圖1為Sn-XAg-0.5Cu釬料合金在加熱階段吸熱峰處的DSC曲線,從圖 1可以看出,當 Ag含量在0.1%～3.0%范圍內時,所有釬料合金的起始熔化溫度(Ton)均約為217℃(平均:217.3℃),說明 Sn-0.5Cu加少量的Ag,就可使釬料合金的起始熔化溫度降為三元共晶反應溫度。圖2為Ag含量對峰值熔化溫度(Tp1,Tp2)和熔程(ΔT=Tp2-Ton)的影響,從圖2可以看出,隨Ag含量的增加,Tp1逐漸向高溫方向漂移,說明參與三元共晶反應的相分數逐漸增加,而Tp2隨Ag含量的增加,逐漸移向低溫端,從而使Sn-XAg-0.5Cu釬料合金熔程減小。

圖1 Sn-XAg-0.5Cu的吸熱DSC曲線 (a)X=0.1,0.3,0.5,0.8;(b)X=1.0,1.5,2.0,3.0Fig.1 Endothermic DSC profiles from Sn-XAg-0.5Cu solder alloys(a)X=0.1,0.3,0.5,0.8;(b)X=1.0,1.5,2.0,3.0

圖2 Ag含量對峰值溫度和熔程的影響Fig.2 Effect of Ag content on peak temperatures and melting ranges

從以上分析可知,在Sn-0.5Cu合金中加少量的Ag就可降低釬料合金的固相線溫度,但Ag含量較少時,參與三元共晶反應的相分數較少,同時釬料合金的熔程相對較大。

2.2 Ag含量對潤濕性能的影響

圖3為Sn-XAg-0.5Cu釬料合金鋪展面積隨Ag含量變化曲線,當 Ag含量在0.1%～1.0%時,隨著Ag含量的增加,釬料的鋪展面積迅速增加,當Ag含量大于1.0%時,隨Ag含量的增加,釬料的鋪展面積變化不大。圖4為Sn-XAg-0.5Cu釬料合金潤濕力(包括最大潤濕力Fmax和最終力Fend)隨Ag含量變化曲線,圖5為Sn-XAg-0.5Cu釬料合金潤濕時間(包括交零時間T0和最大潤濕時間T)隨Ag含量變化曲線,當Ag含量大約在0.1%～1.0%時,隨Ag含量的增加,釬料合金的潤濕力顯著增加,潤濕時間顯著減少,隨著Ag含量的進一步增加(從1.0%～3.0%),潤濕力和潤濕時間幾乎不變,說明Ag含量在0.1%～1.0%范圍內增加時,Sn-XAg-0.5Cu釬料合金的潤濕性能得到顯著改善。

圖3 Ag含量對Sn-XAg-0.5Cu釬料鋪展面積的影響Fig.3 Effect of Ag content on spreading area of Sn-XAg-0.5Cu solder alloys

從以上實驗數據分析可以看出,在低Ag范圍(0.1%～1.0%),隨Ag含量的增加,潤濕力、潤濕時間和鋪展面積都顯著增加,潤濕時間顯著減少。如再繼續增加Ag含量,則對釬料合金的潤濕特性影響不大。

2.3 Ag含量對室溫力學性能的影響

圖6為釬料合金抗拉強度、0.2%屈服強度和斷后伸長率隨Ag含量的變化曲線。由圖6可以看出,在低Ag范圍(0.1%～0.5%),斷后伸長率隨著Ag含量的增加先下降后上升,而抗拉強度和0.2%屈服強度正好與伸長率呈相反的趨勢,這種變化趨勢可能和顯微組織的變化有關,有待進一步研究。當Ag含量在0.5%～3.0%范圍內時,各力學性能呈穩定的變化趨勢,即斷后伸長率隨著Ag含量的增加而下降,抗拉強度和0.2%屈服強度隨著Ag含量的增加而逐漸增加。

3 結論

(1)所有釬料合金的固相線溫度(Ton)均約217.3℃。隨Ag含量的增加,三元共晶反應相的數量增加,釬料合金的熔程(ΔT)減少。

(2)當Ag含量在0.1%～1.0%時,隨Ag含量的增加,潤濕鋪展面積、潤濕力顯著增加,潤濕時間顯著減少,隨后再增加Ag含量,對潤濕性沒有顯著影響。

(3)當Ag含量在0.1%～0.5%時,力學性能呈先下降后增加趨勢;當Ag含量在0.5%～3.0%時,隨著Ag含量的增加,釬料的斷后伸長率逐漸下降,而抗拉強度和0.2%屈服強度均逐漸增加。

圖6 Ag含量對Sn-XAg-0.5Cu釬料拉伸性能的影響Fig.6 Effect of Ag content on tensile properties for Sn-XAg-0.5Cu solders

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Investigations on Melting Property,Wettability and Mechanical Property of Sn-XAg-0.5Cu Lead-free Solder Alloys

WEI Guo-qiang1,WAN Zhong-hua1,ZHAO Si-yong2,ZHANG Yu-peng2,LIU Feng-mei2
(1 School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;2 Joining Materials Institute,Guangzhou Research Institute of Nonferrous Metals,Guangzhou 510651,China)

The melting property,wettability and mechanical property of Sn-XAg-0.5Cu(X=0.1-3.0)lead-free solder alloys were investigated by differential scanning calorimetry(DSC),wetting balance technique,sessile drop method and tensile test.The DSC revealed that the endothermic onset temperature on heating appeared at about 217.3℃for the all solder alloys.With increasing the Ag content of the solder alloys,the melting temperature ranges of the solders became narrow.It was also shown by the wetting balance and sessile drop experiments that the wettability remarkably increased with the Ag content increased,and then with Ag content farther increased,the wettability were kept constant approximately.The threshold value of the Ag content was 1.0%(mass fraction/%,the same below),which considerably effected on wetting-spreading areas and wetting forces(or wetting time).Meanwhile,when Ag content is between 0.5%and 3.0%,the specific elongation of solders decreased with the Ag content increased,while the tensile strength and 0.2%yield stresses increased,too.

Sn-XAg-Cu lead-free solder;melting property;wettability;mechanical property

TG454

A

1001-4381(2010)10-0053-04

國家自然科學基金(NSFC-廣東聯合)重點項目(U0734006);廣東省科技計劃項目(2008A080403008-06);廣州市天河區科技計劃項目(095G108)

2010-06-20;

2010-07-19

衛國強(1960—),男,在職博士,副教授/高級工程師,主要從事釬焊、電子封裝及激光材料加工的研究工作,聯系地址:華南理工大學機械與汽車工程學院(510640),E-mail:gqwei@scut.edu.cn