Fe对Sn-0.7Cu界面组织和拉伸性能的影响

1、Fe对Sn-0.7Cu界面组织和拉伸性能的影响摘要：本文主要研究Fe颗粒对Sn0.7Cu钎料界面组织和拉伸性能的影响。结果表明，在Fe的含量为0.05%时，润湿性能达到最佳，界面组织形态也较平缓，并且在此含量下钎料的拉伸性能也达到最佳。但是随着Fe的含量的增加，Sn-0.7Cu的润湿性能有所下降，界面形态异常凸起，界面针状密集，拉伸性能也随着Fe含量增加而就降低，相应地试样的断后伸长长度减小。关键词:Sn0.7Cu钎料；界面；润湿性能；拉伸强度 Effect of Fe on the Microscopic Tissue Interface and Tensile Properties of

2、Sn-0.7Cu Lead-free SolderAbstract: In the paper, the effect of Fe on the microscopic tissue interface and tensile properties is investigated. The results show that 0.05% Fe is suitable.Sn0.7Cu can have best wetting properties, highest tensile properties and gentle boundary. But, if the content of Fe

3、 increased,each propertiy may be cut down. The microcscopic tissue , wetting propertiy and tensile propertiy will appear bound dropping. And the boundary will become sharp intensively. Key words: Sn-0.7Cu solder; tissue interface; wetting properties; tensile properties0引言进入到21世纪以来，环境保护问题越来越成为人们关注的焦点

4、，在材料科学研究领域，环境保护也得到了广泛认同。人类对Sn-Pb钎料的使用已有3000多年的历史，因其具有较低的熔点，较好的润湿性以及良好的操作性等等性能而被人们广泛使用，另外Sn-Pb钎料的成本相对来讲比较低廉。但是由于Pb毒性较大，对环境污染严重，各国纷纷立法限制含铅钎料的使用。美国最先开始提出使用无铅钎料，随后日本，中国都出台了相关的法律。2006年7月1日起欧盟全面禁止含铅钎料的电子产品进入欧盟市场。随后材料学者开始了无铅钎料的研究与开发，日前无铅化已经成为当今社会电子产品的必然发展趋势【1-2】无铅钎料的研制主要以Sn 为基体，添加Ag、Cu、Bi、Zn 等元素，通过合金化方法，构成

5、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi 以及Sn-Zn 等系列合金。另外，还有SnIn钎料，其中In的含量不能超过1.5%。此种钎料强度较低，延展性优异，在常用基板Cu，Ni/Au上的润湿性能与SnPb钎料比较【3】。这几种无铅钎料中使用最广泛的为Sn-Cu这种钎料，它也是公认的最能够代替Sn-Pb的钎料。在环境保护与能源方面，Sn-Cu原料储备丰富，价格低廉，无毒副作用，并且容易生产，回收【4】；在焊接性以及性能方面，Sn-Cu钎料杂质敏感度低，综合力学性能好，可焊性好，构成简单。因此，该焊料大量用于基板的波峰焊，浸渍焊，适合作为松脂心软焊料。其中，Sn-0.7Cu系钎料在焊接温度对元器件影响较

6、低的波峰焊中得到广泛应用，并且在倒装焊时能很好地代替共晶Sn-Pb钎料。当然，Sn-Cu钎料也存在一些问题。由于 Sn-Cu 钎料流动性不够，熔融钎料不能充分填充焊点间隙从而产生焊点桥连，导致短路；Sn-Cu 合金在波峰焊时容易发生氧化，产生浮渣造成钎料的浪费，还增加焊点形成缺陷的几率，影响焊点的可靠性。除此之外，Sn-Cu钎料润湿性能较差，与SnAgCu钎料相比力学性能较差，焊点耐热疲劳和热冲击性能不良。近年来，人们通过对Sn-Cu钎料的不断研究，发现在钎料中加入不同的强化晶粒可使Sn-Cu系钎料在力学性能和界面形态等方面有不小的改善。陈雷达【5】等人通过研究发现在Sn-0.7Cu中加入一定

7、量的Sb，可以使钎料的熔点从226.38e增加到227.09e，而界面形态也会由扇贝状金属间化合物层变得均匀平滑，很好地细化了晶粒。程艳奎【6】等人向Sn-Cu-0.2Ni中添加微量Ag元素，研究表明在加入了这种微量元素后，钎料的熔点降低，熔程变长。另外，Ag元素提高了钎料在HCL溶液中抗腐蚀性能，增加了钎料在Cu基板上的铺展面积。廖春丽【7】等人的研究表明:在向Cu-0.7Cu中加入 0.5wt% Ag后, 在相同温度和压力下, Sn-0.7Cu-0.5Ag合金的蠕变速率和总蠕变量均比 Sn-0.7Cu小;形成的金属间化合物 Cu6Sn5与 Ag3Sn颗粒强化了 -Sn基体, 从而提高了合金

8、的抗蠕变性能。赵快乐【8】等人通过在Sn-0.7Cu中加入一定量的Ni从而得到结论：随着Ni的含量的增加，钎料的熔点在不断增加，尤其是在Ni的含量达到0.7%后;随着Ni的含量增加，钎料的电阻率降低，导电性受到影响，并且加入Ni后钎料的铺展性能也会得到较大改善。李广东，史耀武【9】等人向Sn-0.7Cu中加入Ni、Ce、P 和 Ge等微量元素，研究钎料的显微组织和性能的变化。高洪永【10】等人在 Sn-0.7Cu中添加微量 Ti元素，发现钎料的润湿性能提高了，铺展面积也提高 5%左右。并且他们发现Ti 的加入使界面 IMC 层的平均厚度减少约 10%25%，晶粒平均尺寸增加 20%75%，且钎

9、焊时间越长，平均尺寸增加越少。方喜波，梁静珊【11】通过实验发现不同的纳米颗粒掺杂对钎料的焊接工艺有不同的要求，但是纳米颗粒掺杂能够改善焊料的润湿性，也能明显细化焊点的显微组织，纳米颗粒粒径越小，对焊料的性能改善作用越大。刘洋，孙凤莲【12】通过加速温度时效方法研究Ni 和Bi 元素对低银 (含银量小于1%，质量分数) Sn-Ag-Cu（LASAC）钎料界面IMC 生长速率的影响，发现Bi能够大大得改善钎料的IMC的生长速率。刘文胜【13】等人向Sn3.0Ag0.5Cu中加入稀土元素Ce后焊点基体组织明显优化，焊点的剪切强度降低。潘君益，金霞【14】等人研究了不同类型的稀土元素Ce，Er，Y

10、及其用量对Sn-0.3Ag-0.7Cu系钎料合金熔化温度、润湿性能、力学性能以及微观组织的影响,发现当Ce的含量为0.10%时微观组织有效细化，合金的润湿性和力学性能等得到提高，但稀土Er 和Y 对钎料性能的影响不太明显。杨洁【15】等人向低银Sn-2.5Ag-0.7Cu无铅钎料中加入微量RE发现钎料的力学性能和润湿性能得到提高，但是过量的RE也会使这些性能下降。孟工戈【16】等人在无铅钎料Sn-2.5Ag-0.7Cu中添加少量Ge 元素后，发现组织显出长大趋势并且界面趋于平缓整齐。马立民【17】等人通过研究发现Co 的添加可以改善 SnAgCu 钎料的服役可靠性;经 DSC 分析，Co 的添

11、加会提高 SnAgCu 钎料合金的凝固点，从而降低其过冷度。叶焕【18】等人对无铅化背景下SnAgCu系钎料合金的性能特点和研究现状作出了概述，着重研究了微量稀土元素对SnAgCu系钎料润湿性能，力学性能，蠕变性能和显微组织的影响及其作用机理，并对SnAgCu系无铅钎料未来的发展和研究给出了独特见解。以上大量的研究结果表明：在Sn-Cu系钎料和SnAgCu系钎料中加入不同的微量元素，例如Ce，Nd，Bi等等，对钎料的显微组织，蠕变性能，力学性能，润湿性等有较大的影响。因此，颗粒强化是改变钎料各方面性能的有效方法之一。但是到目前为止，还没有有关Fe对Sn-0.7Cu显微组织和拉伸性能的影响的研究

12、报告。本文研究了在Sn-0.7Cu系钎料中加入微量F（0%,0.025%,0.05%,0.1%,0.2%，0.4%）对钎料的显微组织和拉伸性能的影响。这对改善Sn-Cu钎焊接头的各方面的性能具有较现实的意义。1实验材料,设备及内容1.1实验材料Sn-0.7Cu焊膏、Fe/Ni颗粒（500目）、铜片（0.2mm）、铜板（1mm）。1.2实验设备抛光机、光学显微镜、另如表1.2表1.2 实验用仪器及设备名称型号用途金相显微镜奥林巴斯观察金相组织以及界面形态 钎焊回流焊机F4N润湿性能的测试拉伸试验机BF-BL-5KN测定拉伸性能电火花线切割机DK77切割钎料拉伸式样电子天平FA2104N称取定量的

13、复合钎料膏1.3实验内容铜板/铜片打磨、钎焊过程、铺展试验、显微组织观察、拉伸试验。2实验内容2.1 实验准备铜板/铜片的打磨：取40mm*40mm*0.2mm的铜片，分别用400目、800目、1200目的金相砂纸在40*40的表面上进行打磨，直至表面光亮为止，用无水乙醇洗净放在干燥处待用；取40mm*40mm*1mm的紫铜板，分别用分别用400目、800目、1200目的金相砂纸在40*1的侧面进行打磨，然后在抛光机上进行抛光，再用酒精洗净、吹干，备用。复合钎料膏的取用：制备铁粉含量分别为0.4%、0.2%、0.1%、0.05%、0.025%、0%的钎料膏。2.2润湿性能实验2.2.1实验步骤

14、用电子天平分别称取铁粉含量为0%、0.025%、0.05%、0.1%、0.2%、0.4%的复合钎料膏各0.23g，堆放在打磨的铜片的中间位置，放入如图2.2.1所示的回流焊机进行钎料的焊接。图2.2.1 回流焊机Sn-0.7Cu无铅钎料的回流工艺的最高温度应选择250-255左右。焊接过程中的温度变化曲线，如图2.2.2所示。图2.2.2 回流工艺曲线如图2.2.2，由回流工艺曲线可以看出，分为四个部分：预热区、保温区、回流区、冷却区。2.2.2 润湿性能的测定这里我们采用测定润湿角的方法来表征材料的润湿性能。根据GB11364-89钎料铺展性及填缝性试验方法测试钎料的润湿性能。回流焊机焊接完

15、成后的产品如图2.2.3所示 。我们可以发现随着Fe浓度的增加，钎焊试样表面的颜色越深。这是因为随着浓度的增加Fe逐渐从焊剂中析出呈浅绿色。钎料像球冠状铺展在铜片上，表面透明的物质是助焊剂松香，原始的复合钎料中加入了这种助焊剂，避免焊接前再加入助焊剂。将试样放入焊机中进行焊接，焊接结束后将试样取出放入260的恒温箱电阻炉中保温15 min取出，等待式样冷却。图2.2.3 回流焊机焊后试样将冷却至室温的试样用数码相机采集图片，利用AutoCAD软件测量出润湿角的大小，如图2.2.4所示。图2.2.4 润湿角的测定每个试样测定五个润湿角，去除一个最大值和一个最小值，取平均值作为最终润湿角。如表2.

16、2.1为润湿角的测定数据。SampleWetting angle / °Data1Data2Data3AverageSn0.7Cu33.4839.9436.4636.63Sn0.7Cu-0.025Fe41.6636.0636.4938.07Sn0.7Cu-0.05Fe38.2236.4932.6235.78Sn0.7Cu-0.1Fe37.7836.9241.6638.79Sn0.7Cu-0.2Fe45.5342.5240.3742.81Sn0.7Cu-0.4Fe41.2338.2244.6741.37表2.2.1 润湿角数据2.2.3 实验分析润湿性是评价电子封装中钎料性能的一个重要

17、指标。图2.2.5为Fe含量对Sn-0.7Cu钎料润湿角大小的影响规律。我们可以发现Sn-Cu钎料膏的润湿角为36.63度。当Fe的含量达到0.05%时，钎料膏的润湿角35.78度，此后增加Fe的含量润湿角都大于这个值。因此，我们发现当Fe的含量为0.05%时，润湿性实验得到的润湿角最小即润湿性能较好。当Fe的含量大于或者小于0.05%时，润湿性都会降低。这是因为Fe粉的添加增加了复合钎料焊膏单位体积内焊粉的接触面积,使得焊膏内摩擦力增大,导致复合钎料膏的黏度增加;钎焊时,由于重力偏聚及界面吸附作用,Fe粉颗粒集中沉积于Sn-0.7Cu-Fe/Cu钎焊接头界面处靠近钎料一侧,由于增大液态钎料黏

18、度而导致钎料与Cu板间的润湿性降低。图2.2.5 Fe含量对Sn-0.7Cu的润湿角的影响2.3 界面组织的观察2.3.1 实验步骤将Sn-0.7Cu-Fe试样分别用600#，1000#和2000#砂纸进行打磨，0.04m的Al2O3悬浮液进行抛光，然后用2 vol. %HCl+98 vol. %C2H5OH溶液腐蚀2S，最后采用Olympus光学显微镜进行显微组织观察。2.3.2界面组织的观察与分析Sn-0.7Cu-xFe钎料基体界面组织如图2.3.1，结合图2.3.2界面IMC进行分析。可以看出Fe含量为0%的SnCu钎料的界面处相对平坦，呈贝壳状。而加入Fe之后，钎料界面形状变为密集的针

19、状，Fe含量不同界面针状密集程度也不同，其中含量为0.05%的钎料的界面相对来讲较为平缓，针状分布也更密集。这说明在此含量下，钎料和Cu结合得更好。根据界面IMC我们可以发现，Fe含量为0.05%时界面厚度要更小；Fe含量小于0.05%时，界面厚度小于不含Fe的钎料的界面厚度；但是当Fe含量大于0.05%时，界面厚度远大于不含Fe的钎料的界面厚度。微量的Fe可以很有效地抑制界面IMC的增长，使界面趋于平缓；过量的Fe会促进界面IMC的增长，也会使界面突起。另外，我们对界面化合物进行分析，其化合物为Cu6Sn5，并且界面的黑色物质为析出的Fe。添加Fe 元素界面IMC 则是以Cu6Sn5为基的(

20、 Cu，Fe)6Sn5 靠近铜基板侧还有可能生成少量Cu3Sn，由于其厚度极薄而不易被检测到 在钎焊过程中，由于液态钎料内Sn 原子向铜基板侧扩散速率较快，此时会首先形成激活能较低的( Cu，Fe)6Sn5相; 而随着( Cu，Fe)6Sn5厚度的增加，Sn 原子向铜基板侧扩散逐渐受到阻碍，当铜基板侧Sn 原子供给不足时，非稳态的( Cu，Fe)6Sn5将和过量的Cu 原子反应生成Cu3Sn 相。图 2.3.1 基体界面组织形态图2.3.2 基体界面IMC2.4 拉伸性能实验2.4.1 实验步骤取备用的紫铜板，使用Fe含量不同的钎料膏进行焊接，然后用电火花线切割机将试样切成如图2.4.1所示的

21、骨头状，然后用拉伸试验机进行拉伸试验。 图2.4.1 骨头状拉伸试样2.4.2 拉伸试验数据及分析每一组试样测五个数据，除去一个最大值和一个最小值，将三个数据的平均值作为最后的数据。如表2.4.1为试样的极限抗拉强度的数据统计，表2.4.2为试样断后伸长长度以及图2.4.2两者的比较。SampleUltimate tensile strength / MPaData1Data2Data3AverageSn0.7Cu32.4235.1835.8134.47Sn0.7Cu-0.025Fe33.2635.5235.2134.67Sn0.7Cu-0.05Fe39.7240.2838.3939.46Sn

22、0.7Cu-0.1Fe37.3838.9136.8437.71Sn0.7Cu-0.2Fe32.4631.5333.4732.49Sn0.7Cu-0.4Fe29.3831.7330.4930.53表2.4.1 极限抗拉强度SampleElongation / mData1Data2Data3AverageSn0.7Cu245231258224.7Sn0.7Cu-0.025Fe253249241247.7Sn0.7Cu-0.05Fe215239210221.3Sn0.7Cu-0.1Fe237231233233.7Sn0.7Cu-0.2Fe239216241232.0Sn0.7Cu-0.4Fe227

23、219242229.3表 2.4.2 断后伸长长度图 2.4.2 拉伸强度和伸长长度的比较由表2.4.1可知，焊缝区的极限抗拉强度随着钎料中Fe的含量增大呈现先增大后减小的趋势。这说明随着Fe的含量的增加，焊缝区的抗拉强度逐渐增大，但随着Fe的含量的进一步增加，焊缝区的抗拉强度逐渐减小。由表2.4.2可知，当Fe的含量在0.05%时，断裂伸长长度最小，而后随着Fe含量的增加，伸长长度先增加再缓慢减小。当Fe的含量为0.025%时，伸长的值最大。由以上数据可知，加入微量的Fe，钎料的抗拉强度有了较大的提高并且在Fe含量为0.05%时达到最大。其原因可能是因为Fe的加入细化了钎料的富Sn相组织。但

24、是当含量达到0.05%后，其拉伸强度出现了一定程度的下降。可能是因为当含量大于0.05%后，微观界面IMC不断变大，相应地，钎料的抗拉强度不断减小。另外随着Fe的含量增加，晶粒不断粗化，导致抗拉强度减小。3.总结（1）当Fe的含量为0.05%时，润湿性实验得到的润湿角最小即润湿性能较好。当Fe的含量大于或者小于0.05%时，润湿性都会降低。（2）微量的Fe可以很有效地抑制界面IMC的增长，使界面趋于平缓；过量的Fe会促进界面IMC的增长，也会使界面突起。（3）加入微量的Fe，钎料的抗拉强度有了较大的提高并且在Fe含量为0.05%时达到最大。但随着Fe的含量增加，晶粒不断粗化，抗拉强度减小。参考

25、文献：1-2 KATSUAKIS Advance in lead-free electronics solderj,J Curr Opin Solid State Mater Sci.2001.51:55-64LAURILA T,VUORINEN V,KIVILAHTI,J,K.Interfacial reactions between lead-free solder and common base materials J.J Mater Sci Eng.2005,49(1/2):1-6.3 NCMS,Lead-Free Solder Project Fanals Report,in Report 0461RE96,1997,National Center for Manufacturing Sciences.4 Mulugeta Aer.Gun