Sn-Ag-Cu釬料的制備與顯微組織性能研究

柳 硯

(安徽機電職業技術學院機械工程學院,安徽 蕪湖 241000)

釬料的種類十分廣泛。綜合分析其實用性和各種性能,應用廣泛的釬料還是Sn-Pb共晶釬料。鉛元素對人體的傷害及對土壤、水源的污染是很嚴重的[1]。在各種代替Sn-Pb釬料的無鉛釬料中,Sn-Ag-Cu系由于良好的物理特性和穩定的力學性能成為代替傳統Sn-Pb釬料的首選[2],一般同種釬料處于共晶成分,各種性能要優于非處于共晶成分,由于Sn-Ag-Cu系凝固機制很復雜,何種成分才是共晶成分,至今仍不能確定[3]。銀為貴金屬,地殼中銀的儲存量不是很豐富,含銀釬料的成本太高,不能得到廣泛的應用,所以開發低銀釬料刻不容緩。目前,低銀釬料研究主要是在釬料中加入稀有金屬[4]。在低銀釬料中添加適量Ni、Mn、Ti、Ce、Bi等元素可以有效提高釬料的力學性能[5-7]。銀含量對復合釬料組織與焊接力學性能有顯著影響[8-9],然而這些釬料合金的銀含量依然較高[10],對低銀的作用的研究報道比較少,還需要更深入和廣泛的研究。本文以Sn-Ag-Cu系釬料為研究對象,通過制備四組不同銀含量的Sn-Ag-Cu釬料,探究釬料合金的熔化特性、顯微組織結構,分析低銀無鉛釬料的力學特性與在紫銅基體上的潤濕特性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

Sn-Ag-Cu無鉛釬料合金所采用的原材料為:高純度的Sn粒(99.5%)、Ag顆粒(99.95%)和無氧純Cu絲(99.95%),均購于北京邁瑞達科技有限公司;氯化鉀、氯化鋰、硝酸、乙醇等均為分析純,均購于國藥集團試劑有限公司;拋光液、砂紙(200～3000目)購于廣東金相檢測技術有限公司。紫銅板尺寸為50 mm×50 mm×5 mm,水洗釬劑均為當地市售。

JA5003N型分析天平(上海精密科學儀器有限公司);VBF-1200X型高溫方體雙層結構井式爐(沈陽科晶自動化設備有限公司);DSC-Q20型差示掃描熱量儀(美國TA儀器公司);SF-388型拉伸試驗機(上海榮計達儀器科技有限公司);4XCE型金相顯微鏡(上海蔡康光學儀器有限公司);Must System III型可焊性測試儀(英國Multicore公司);MP-2型金相拋光機(寧波永匯儀器科技有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 釬料組成及配比

為比較四種不同的低銀釬料:Sn-0.7Cu(A1),Sn-0.3Ag-0.7Cu(A2),Sn-0.5Ag-0.7Cu(A3),Sn-1.0Ag-0.7Cu(A4)的顯微組織及其性能,各種釬料的質量配比如表1所示。

表1 四組釬料各元素的質量配比

1.2.2 釬料合金的制備

(1)釬料的熔煉

釬料制備原料用錫絲、銀粒和無氧銅絲。熔煉時,首先將共晶鹽氯化鉀和氯化鋰按1.3∶1的質量比放在陶瓷坩堝錫爐中加熱至融化,將配比如表1所示的錫、銀、銅依次加入熔鹽中,釬料熔煉的溫度約400～405 ℃,保溫3 h并每隔30 min攪拌一次,至形成熔漿。

(2)澆鑄成型

將熔漿澆鑄到拉伸模具中,尺寸如圖1所示,得到釬料的合金條。澆鑄時用鉗子把坩堝小心夾出,放在石棉網上,用勺子快速把坩堝里浮在釬料溶液上面的共晶鹽液體清除,熔煉后澆鑄成型釬料拉伸棒。

圖1 模具的尺寸標注

1.2.3 釬料合金的性能

(1)DSC曲線的測定

采用DSC-Q20型差示掃描熱量儀分別測定Sn-0.7Cu,Sn-0.3Ag-0.7Cu,Sn-0.5Ag-0.7Cu,Sn-1.0Ag-0.7Cu四種釬料合金隨溫度變化的DSC曲線。

(2)拉伸實驗

將澆鑄成型的釬料棒置于拉伸試驗機上,進行拉伸實驗。實驗溫度為室溫,拉伸速率為3 mm/min,設置三次平行實驗,取平均值。

(3)顯微組織的測定

以拉伸實驗后的釬料作為測試對象,首先采用500號的金相砂紙進行粗磨,然后依次用800號、1000號,1200號、1500號、2000號砂紙進行細磨,使用0.25 μm的氧化鋁拋光膏進行拋光,最后利用4%硝酸+96%酒精溶液(體積分數)進行腐蝕處理,吹干后在金相顯微鏡下進行觀察。

(4)潤濕特性的測定

根據國家標準《釬料潤濕性試驗方法》(GB/T 11364—2008)測定各組釬料在紫銅板上的潤濕特性[11],包括潤濕角和鋪展面積的測定。

2 結果分析

2.1 釬料合金的DSC曲線

四種釬料合金的DSC曲線如圖2所示。根據圖2四種釬料合金的DSC曲線,可以得到四種釬料合金的熔化溫度,如表2所示。隨著銀質量分數的增加,釬料的熔化溫度逐漸減小,即液相溫度逐漸降低,熔化區溫度(熔程)縮短與前人研究報道的結果一致,同時本文制備的低銀釬料較報道的高銀釬料的熔程更長[8],不僅降低釬料的成本,而且為焊接過程提供更好的塑形便利條件,利于調整洛鐵釬焊焊接過程的焊點。

a.Sn-0.7Cu;b.Sn-0.3Ag-0.7Cu;c.Sn-0.5Ag-0.7Cu;d.Sn-1.0Ag-0.7Cu

表2 四種釬料合金的熔化溫度

2.2 釬料合金的拉伸性能

圖3為各組釬料的拉伸測試結果。未添加Ag的Sn-0.7Cu釬料(A1)的抗拉強度為38.5 MPa,隨著Ag質量分數的增加釬料的抗拉強度逐漸增大。當釬料中Ag的質量分數為1.0%(A4)時,釬料的抗拉強度達到47.4 MPa,說明Ag的添加提高了釬料的拉伸性能。

圖3 各組釬料的抗拉強度

2.3 釬料合金的顯微組織

圖4分別為Sn-0.7Cu,Sn-0.3Ag-0.7Cu,Sn-0.5Ag-0.7Cu,Sn-1.0Ag-0.7Cu四組釬料的顯微組織圖。

(a) Sn-0.7Cu釬料

圖4(a)是只有Cu與Sn的釬料,可以明顯看到很多白色區域,這些明顯的白色區域是β-Sn相,黑色區域為Cu與Sn形成的共晶組織Cu6Sn5,這種共晶組織Cu6Sn5與β-Sn(白色)相構成了網狀結構。圖4(b)和圖4(c)金相組織比較相似,因為在Sn-0.7Cu釬料中加入了少量的Ag。圖4(b)中Sn-0.3Ag-0.7Cu的晶粒比圖4(c)的Sn-0.5Ag-0.7Cu要大,可能是因為在Sn-Ag-Cu合金中,Ag和Cu幾乎不能溶于β-Sn,Cu與Sn形成的共晶組織以片狀結構存在于合金當中,Ag則與Sn形成微細共晶體,所以圖4(b)比圖4(c)的晶粒要粗大一些。圖4(d)和圖4(a)的晶粒微觀形貌相似,可能是由于Ag的質量分數增大到一定情況后與Sn形成了粗大的共晶組織,而這種組織與Cu-Sn形成的組織相混在一起很難區分。所以無Ag的釬料和含銀1.0%的Sn-Ag-Cu釬料組織比較相似。

低銀釬料的晶粒相對比高銀釬料的要細小,排列更緊密。隨著銀質量分數的增加釬料中形成的金屬間化合物(Ag3Sn和Cu6Sn5)含量也增加。而無銀釬料中黑色的(Cu6Sn5)初晶也非常多。加入少量的Ag對Sn-0.7Cu釬料的顯微組織的影響是十分顯著的,銀在釬料中和Sn形成Ag3Sn的化合物。隨著銀質量分數的逐漸增加這種化合物也越來越多,其晶粒也越來越粗大。

2.4 釬料對紫銅的潤濕特性

圖5為各組釬料合金在紫銅基體上的鋪展面積與潤濕角曲線。由圖5可知,隨著Ag的質量分數的增加,釬料合金的鋪展面積逐漸增大,而潤濕角逐漸減小。主要是因為Ag的加入使得Sn-Cu原子之間的相互作用增強,釬料在Cu基板上的鋪展面積增大。當Ag的質量分數為1.0%時,釬料的鋪展面積為39.9 mm2,潤濕角為5.01°,比高銀含量的Sn-Ag-Cu釬料的潤濕角更小[10],適合精密電路板的焊接。

圖5 潤濕特性測試結果

3 結語

通過對低銀釬料的制備和對幾組釬料DSC曲線分析,發現添加銀可以改變釬料的熔化溫度,但是增加銀的質量分數對熔化溫度的影響不是很明顯。由釬料的DSC曲線分析可知,雖然少量的銀可以使釬料的熔化溫度降低,但是加入少量的銀可以使低銀釬料的液相溫度和固相溫度的差值變大,說明少量的銀可以影響釬料固相溫度和液相溫度。通過與高銀釬料顯微組織對比分析可知,隨著銀的質量分數的增加,釬料組織中晶粒也會慢慢變得粗大,成分也會發生變化生成黑色的Cu6Sn5物質就會越來越多,使得黑色網狀的成分與白色的β-Sn相結合得更緊密。