| 标题 | Sn0.3Ag0.7Cu—xPr无铅钎料显微组织和力学性能研究 |
| 范文 | 冯晓乐 摘 要：本文对Sn0.3Ag0.7Cu-xPr钎料的显微组织和力学性能进行了试验研究。结果表明，微量稀土Pr的添加可以有效细化Sn0.3Ag0.7Cu钎料的显微组织和显著提高钎料的拉伸强度。Sn0.3Ag0.7Cu-0.1Pr钎料的基体组织得到最大程度的细化以及均匀化，金属间化合物颗粒尺寸明显减小，钎料的拉伸强度和延展性也达到了最大值，拉伸断口出现细小均匀的韧窝，呈明显的韧性断裂特征。当稀土Pr含量繼续升高时，钎料的力学性能恶化，这与基体组织中出现的大块PrSn3稀土相有关。 关键词：无铅钎料；显微组织；力学性能；低银；断口形貌 中图分类号：TG454 文献标识码：A Abstract：The microstructure and mechanical properties of Sn0.3Ag0.7Cu-xPr lead-free solders were investigated. The results indicate that the addition of Pr can refine the microstructure and enhance the mechanical properties. The microstructure were refined maximum and even on Sn0.3Ag0.7Cu-0.1Pr solder， in which the size of intermetallic compound particals could be reduced， too. At this time， the mechanical properties of solder have the peak value. The tensile fracture shows that small dimples can be seen and the toughness fracture can be demonstrated. Keywords： lead-free solder； microstructure； mechanical property； low Ag content； fracture morphology 随着电子产品制造业的迅猛发展，绿色环保的无铅钎料得到了大力的开发与应用。其中，SAC305（Sn3.0Ag0.5Cu）钎料被公认为是SnPb钎料最具潜力的替代品。但在使用过程中发现，较高的Ag含量易产生Ag3Sn组织，使得焊后接头抗冲击性能降低，从而导致电子产品在服役过程中可靠性下降；同时，高银含量会导致无铅钎料成本增加，影响其市场竞争力。 为降低钎料成本，改善焊后可靠性，新型低银无铅钎料的研究成为电子企业和行业中的重要研究课题之一。Sn0.3Ag0.7Cu 无铅钎料正在研究之中，并且已经应用在部分电子组装和封装企业。但与高银含量的无铅钎料相比，其熔点稍高， 润湿性稍差。 大量研究表明，稀土元素可显著改善钎料某些方面的性能。LI等选择在Sn3.8Ag0.7Cu中添加混合稀土，可明显提高焊点的剪切强度。由于Pr和Nd的加入，Sn3.8Ag0.7Cu的基体组织得到明显细化，润湿性能和力学性能也得到了极大的提升。CHENG等发现，Ce和La可以明显提高Sn-2.5Ag-0.7Cu钎料的铺展面积和焊接可靠性。 此外，Y和Er也已被应用于高银SnAgCu钎料的性能优化中，得到了一系列高性能的高银SnAgCu无铅钎料。微量稀土对低银Sn-0.3Ag-0.7Cu 无铅系钎料的性能影响还鲜见报道。 本文针对Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料，研究了研究稀土Pr对该钎料显微组织和力学性能的影响。 1.实验材料及方法 1.1 合金设计及制备 以纯度为99.9%的锡、银、铜及稀土Pr为原材料，采用中间合金冶炼的制备工艺。在真空冶炼炉中熔炼制备出不同稀土Pr含量的Sn0.3Ag0.7Cu钎料。Pr的含量分别为0，0.025%，0.05%，0.1%，0.25%，0.5%。 1.2 钎料基体组织分析 选取浇铸过程中的相同部位钎料进行切割、镶嵌，经过剖面、打磨、抛光等程序制成初级试样。用无水乙醇将试样表面清洗后，采用4%HNO3+C2H5OH腐蚀液进行3～5秒腐蚀，利用XJP-300型光学显微镜以及日立扫描电子显微镜S-3400N对钎料的显微组织进行观察和分析。 1.3 力学性能测试 在室温下利用AG-I250KN试验机，采用尺寸如图1所示的拉伸试样（厚度为1mm），以1mm·min-1的速率进行拉伸试验，测量钎料合金的拉伸强度及延伸率，后用扫描电子显微镜对拉伸断口进行观察和分析。 2.结果与分析 2.1 Sn0.3Ag0.7Cu-xPr无铅钎料显微组织研究 Sn0.3Ag0.7Cu-xPr基体组织主要由共晶组织、较粗大的初晶β-Sn以及初晶金属间化合物（IMC）组成，如图2（a）所示。从图2（b）可以发现，随着Pr的添加，SnAgCu合金的显微组织起了明显的变化。在SnAgCu基体中，初晶β-Sn占有较大的体积比例，同时存在大尺寸金属间化合物。大尺寸金属间化合物往往是焊点失效的裂纹源，将会影响钎料基体的力学性能。GAO等人研究Sn3.8Ag0.7Cu-xNd钎料组织时，也发现了类似形貌。随着0.025%Pr元素的加入，初晶金属间化合物的形貌转变成椭圆状，可有效降低金属间化合物与β-Sn基体间的界面应力，在一定程度上抑制服役过程中裂纹的产生及扩展。当加入0.1%Pr时，共晶组织比例增加，金属间化合物尺寸均匀，且弥散分布在钎料基体中，基体组织得到了明显的细化。但当Pr含量增加至0.5wt.%时，在Sn0.3Ag0.7Cu-0.5Pr钎料中出现了尺寸较大的黑色相，并且出现了一定比例的共晶组织，表明SnAgCu钎料的共晶组织形貌受Pr含量的影响，这与Li等人的研究结果相吻合。 2.2 力學性能 从图3发现，稀土Pr的添加可较明显的改善SnAgCu钎料的抗拉强度和延伸率，当加入0.1wt%Pr时，拉伸强度和延展率达到最大值。结合图2（c），不难发现，随着0.1%Pr的加入，Sn0.3Ag0.7Cu钎料基体组织得到了细化，金属间化合物颗粒大小比较均衡，且弥散分布在基体中，起到了一定的弥散强化的作用。但当Pr含量进一步增加时，其拉伸强度和延伸率均出现了一定程度的下降。 由图2可知，稀土Pr的添加量超过0.1%时，在基体中会产生大尺寸的黑色相，且随着Pr含量的增加而增多，Sn0.3Ag0.7Cu-0.5Pr钎料中尤为明显。对Sn0.3Ag0.7Cu-0.5Pr基体中点状的黑色相进行能谱分析（如图4所示）可以确定，此黑色相为PrSn3。对其周围的白色化合物颗粒进行成分分析表明，尺寸较大的颗粒为Cu6Sn5化合物颗粒，尺寸较小的化合物颗粒是Ag3Sn颗粒。由图4（a）可以看出，稀土相PrSn3的尺寸明显大于Cu6Sn5和Ag3Sn，同时，稀土相周围总是存在一定数量的金属间化合物（Cu6Sn5和Ag3Sn），说明稀土相和金属间化合物间存在“依附生长”的关系。有关研究表明，在SnAgCu钎料中，当稀土Ce、La、Y的含量达到2wt.%时，稀土相RExSny的硬度值可达Sn的数十倍，与金属间化合物Ag3Sn的硬度接近。但是稀土相RExSny若与空气接触则会迅速氧化，氧化后的RExOy相即呈现脆性的特征。这也是过量的稀土Pr容易导致钎料力学性能恶化的原因所在。 由图5（a）可见，Sn0.3Ag0.7Cu-0.1Pr断口具有明显的韧性断裂特征，韧窝多而深，而Sn0.3Ag0.7Cu-0.5Pr断口上韧窝较少而浅，其延伸率也明显低于Sn0.3Ag0.7Cu-0.1Pr钎料。这与该钎料合金的拉伸强度试验和微观组织观察结果一致。研究证明，Sn0.3Ag0.7Cu-xPr钎料合金的力学性能与稀土相PrSn3的大小、比例等密切相关。 结论 （1）利用扫描电镜对Sn0.3Ag0.7Cu-xPr钎料进行显微组织分析，发现微量稀土Pr的加入可以明显改善Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料的显微组织。当Pr含量为0.1wt.%左右时，该钎料的基体组织得到最大程度的细化。但当Pr含量继续增加时，钎料中会出现大块黑色相。 （2）对Sn0.3Ag0.7Cu-xPr钎料力学性能测试，发现Pr可以在显著改善钎料的拉伸强度和延伸率，Pr的最佳添加量是0.1wt.%。过量的Pr将会导致其力学性能下降，这与大块黑色稀土相PrSn3有密切关系。Sn0.3Ag0.7Cu-xPr钎料拉伸断裂为韧性断裂。 参考文献 [1]Wang Y W， Kao C R. Development of lead-free solders with superior drop test reliability performance [C] . 2009 International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging. Beijing： IEEE Press， 2009： 534-539. [2]PARK S B， AHMED I Z. Shorter field life in power cycling for organic package[J]. Journal of Electronic Packaging， 2007， 129（1）：28-34. [3] Suganuma K. 宁晓山，译.无铅焊接技术[M].北京：科学出版社，2004：1-28. [4]王大勇，顾小龙.高性价比的Sn-0. 3Ag-0. 7Cu-A无铅焊料[J].浙江冶金，2006（3） ：18- 20. [5]Shi Y W， Tian J， Hao H， et al. Effects of small amount addition of rare earth Er on micro-structure and property of SnAgCu solder [J]. Journal of Alloys and Compounds， 2008，453（1-2）：180. [6]Zhang L， Xue S B， Gao L L， et al. Effect of trace amount addition of rare earth on properties and microstructure of SnAgCu alloy [J]. Journal of Marterial Science： Materials in Electronics，2009，20（12）：1193. [7]Li G D， Shi Y W， Hao H， et al. Effect of Rare Earth Addition on Shear Strength of SnAgCu Lead-Free Solder Joints[J].Journal of Materials Science： Materials in Electronics，2009，20（2）：186-192. [8]皋利利.稀土Pr和Nd对SnAgCu无铅钎料组织和性能影响研究[D].南京：南京航空航天大学，2012. [9]程光辉，张柯柯，满华，等.稀土对表面组装用SnAgCuRE 钎料合金组织与性能的影响[J].中国稀土学报， 2005，23（4）：486-489. [10]Dudek M A， Chawla N. Effect of Rare-Earth （La， Ce， and Y） Additions on The Microstructure and Mechanical Behavior of Sn-3.9Ag-0.7Cu Solder Alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A， 2010， 41（3）： 610-620. [11]Hao H， Shi Y W， Xia Z D， et al. Microstructure Evolution of SnAgCuEr Lead-Free Solders Under High Temperature Aging[J]. Journal of Electronic Materials， 2008， 37（1）： 2-8. [12]Zhang L， Han J G， Gao Y H，He C，W. Microstructures and properties of SnZn lead-free solder joints bearing La for electronic packaging [J]. IEEE Transactions on Electron Devices，2012，59（12）：3269. [13]Gao L L， Xue S B， Zhang L， et al. Effects of Trace Rare Earth Nd Addition on Microstructure and Properties of SnAgCu Solder[J]. Journal of Materials Science： Materials In Electronics， 2010， 21（7）： 643-648. [14]Li B， Shi Y W， Lei Y P， et al. Effect of Rare Earth Element Addition on the Microstructure of Sn-Ag-Cu Solder Joint[J]. Journal of Electronic Materials， 2005，34（3）：217-224. [15]Dudek M A， Chawla N. Nanoindentation of Rare Earth-Sn Intermetallics in Pb-Free Solder[J]. Intermetallics，2010，18（5）： 1016-1020. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。