AL顆粒強(qiáng)化復(fù)合無(wú)鉛釬料熱應(yīng)力時(shí)效行為研究

摘 要：通過(guò)熱應(yīng)力時(shí)效試驗(yàn)研究AL顆粒強(qiáng)化復(fù)合無(wú)鉛釬料組織，采用掃描電鏡觀察復(fù)合釬料的顯微組織。結(jié)果表明：Sn-58Bi釬料在125 ℃下恒溫時(shí)效720 h后釬料中加入的AL顆粒以少量有限固溶體和大量單質(zhì)顆粒兩種形態(tài)存在，AL顆粒延緩了組織中Bi相晶粒的粗化速率，得到了均勻細(xì)小的Bi相晶粒。

關(guān)鍵詞：復(fù)合無(wú)鉛釬料；AL顆粒強(qiáng)化；熱應(yīng)力時(shí)效

中圖分類號(hào)：TG425 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）33-0169-03

隨著人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，研究和開(kāi)發(fā)綠色無(wú)鉛釬料已經(jīng)成為釬料生產(chǎn)行業(yè)和釬料應(yīng)用行業(yè)急需解決的問(wèn)題[1]目前研究無(wú)鉛釬料主要集中在以錫為基的Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn、Sn-Bi，Sn-Bi系無(wú)鉛釬料屬于低溫?zé)o鉛釬料，共晶成分含58wt%Bi，熔點(diǎn)為138 ℃，適合于耐熱性差的片式元件的組裝。Sn-58Bi是Sn-Bi系的共晶釬料，具有良好的釬料性能，以及良好的潤(rùn)濕性能和抗蠕變能力，但由于熔化溫度較低，高溫工作時(shí)易粗化結(jié)晶，在80 ℃下Sn-58Bi釬料具有穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)，超過(guò)100 ℃后Bi就會(huì)異常粗化。Bi相的粗化會(huì)導(dǎo)致其性能變脆，從而使釬料的耐沖擊能力降低，焊點(diǎn)的可靠性變差。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的改善措施是加入第三組元混合熔煉制備釬料[2]，研究發(fā)現(xiàn)這種方法不但提高了釬料熔點(diǎn)，而且Bi相粗化現(xiàn)象依然明顯，Bi相的脆性問(wèn)題沒(méi)有得到解決。本文提出采用Sn-58Bi釬料和AL粉按一定配比混合得到一種復(fù)合無(wú)鉛釬料。在釬焊過(guò)程中不需提高釬焊溫度來(lái)完全熔化AL粉，在釬料中添加微量的Al對(duì)釬料的鋪展性能沒(méi)有影響。本文通過(guò)Bi相晶粒尺寸的比較和顯微組織分析可得出AL顆粒細(xì)化了Bi相晶粒，增強(qiáng)了Sn-58Bi釬料熱應(yīng)力時(shí)效行為，此研究為Sn-Bi無(wú)鉛釬料的應(yīng)力時(shí)效行為研究提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

Sn-58Bi釬料，純度為99.9%的鋁粉，0.6 mm紫銅板。

1.2 試驗(yàn)方法

第一組：首先，在Sn-58Bi釬料粉中按100：1加入AL粉并攪拌均勻，將準(zhǔn)備好的紫銅板用砂紙打磨后，先用丙酮再用酒精擦洗，避免表面油污或雜質(zhì)影響釬焊效果。然后，將準(zhǔn)備好的釬料置于兩紫銅板搭接邊緣，搭接面積為5 mm×5 mm，間隙為 0.1 mm，紫銅板試樣，如圖1所示，然后在加熱爐上加熱，使釬料熔化進(jìn)行釬焊，最后將冷卻后的搭接試樣使用適當(dāng)清洗劑擦拭干凈，去除表面殘余的Sn-58Bi雜質(zhì)，得到完整的搭接試樣。

第二組：與第一組相同只是在釬料中不加入AL粉，每組做8個(gè)試樣，進(jìn)行組織觀察分析時(shí)選用最佳的試樣。

1.3 熱應(yīng)力時(shí)效試樣

將1.2中所得的搭接試樣兩端各加上一支應(yīng)力儀，搭接組裝后對(duì)搭接區(qū)施加不同的應(yīng)力， 并置于202型電熱恒溫烘干箱24 h，溫度設(shè)置為125 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

在125 ℃恒溫應(yīng)力時(shí)效條件下，不加AL粉的釬焊接頭試樣在不同應(yīng)力下時(shí)效相同時(shí)間后的共晶層狀組織如圖2（a）（b）（c）（d）所示。圖中白色相為Bi，灰色組織為富Sn區(qū)，是Sn和少量的Bi組成的Sn基固溶體，釬焊接頭在0.5 N應(yīng)力時(shí)效后共晶層狀組織中的白色相（Bi相）的晶粒保持均勻細(xì)小；但是隨著應(yīng)力增大到2.0 N后，顯微組織中可以明顯觀察到Bi相的聚集；應(yīng)力進(jìn)一步增大到3.0 N，Bi相細(xì)小的顆粒互相聚集，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榇髩K狀的組織，晶粒嚴(yán)重粗化，這將導(dǎo)致接頭性能明顯的下降。

加AL粉的釬焊接頭試樣在不同應(yīng)力下時(shí)效相同時(shí)間后的共晶層狀組織如圖3（a）（b）（c）（d）所示。圖中白色相為Bi，灰色組織為富Sn區(qū)，是Sn和少量的Bi組成的Sn基固溶體，黑色顆粒為單質(zhì)形態(tài)存在的Al顆粒，同時(shí)，還有少量的Al有限固溶于Sn-58Bi釬料基體中。釬焊接頭在0.5 N應(yīng)力下時(shí)效后的共晶層狀組織中的白色相（Bi相）的晶粒均勻細(xì)小；隨著應(yīng)力增加到2.0 N，3.0 N后，其顯微組織仍然相對(duì)均勻細(xì)小，沒(méi)有出現(xiàn)大塊狀的組織。

2.2 Bi晶粒尺寸的比較

分別對(duì)圖2和圖3進(jìn)行晶粒尺寸的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果，如圖4所示。

由圖4可以看出，不加AL的情況下Bi晶粒尺寸隨著應(yīng)力值的增大明顯增大。加入AL后Bi晶粒尺寸增大不多，應(yīng)力值從 0.5 N增大到3.0 N，Bi晶粒尺寸只是從1.28 ？滋m增大到了3.35 ？滋m，這是由于AL的加入阻礙了Bi晶粒的長(zhǎng)大和Bi晶粒聚集，而從圖2（d）也可以明顯的看到Bi相的相互聚集，最后連接成塊狀的組織。

分析認(rèn)為，這種AL顆粒強(qiáng)化復(fù)合釬料組織的機(jī)理在于：Sn-Bi釬焊焊接接頭在冷卻凝固過(guò)程中，當(dāng)溫度降低到183 ℃時(shí)，液態(tài)Sn-58Bi釬料中開(kāi)始析出β-Sn形核核心，隨著溫度的進(jìn)一步降低，β-Sn不斷長(zhǎng)大，而且β-Sn中固溶Bi 的含量隨固相線變化而不斷升高[3]。與此同時(shí)，在液相中Bi的含量也隨液相線變化在不斷的升高，這樣一直持續(xù)到138 ℃時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，最后剩余的液相完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔唳?Sn和Bi。當(dāng)溫度繼續(xù)降低至室溫時(shí)，β-Sn中固溶的Bi隨著固溶度曲線不斷的在β-Sn上析出，并附著在初生的β-Sn上生長(zhǎng)，表現(xiàn)為板條狀的Bi[4]。選擇Al作為強(qiáng)化相添加在Sn-Bi系釬料中是由于Al在錫中溶解度、擴(kuò)散率都很低，并且Al與Sn不發(fā)生反應(yīng)。Al在Sn-Bi釬料基體中不僅能夠均勻分布，保證足夠的強(qiáng)度，而且在時(shí)效過(guò)程中也不易粗化。

3 結(jié) 論

①Sn-58Bi釬料釬焊接頭的顯微組織為典型的層片狀共晶組織，由先析出相β-Sn和附在β-Sn上板條狀的Bi組成。添加微量Al元素對(duì)接頭組織影響不大，從Sn-58Bi釬料釬焊接頭的顯微組織可以看出Al以少量有限固溶體和大量單質(zhì)顆粒兩種形態(tài)存在。

②Sn-58Bi釬料釬焊接頭的顯微組織由固溶了大量Bi的β-Sn和由于成分偏析生成的共晶組織兩部分組成。Al的添加并沒(méi)有從根本上抑制Sn-58Bi釬料的組織偏析，但是可以有效的減小偏析程度。

③125 ℃恒溫應(yīng)力時(shí)效條件下，隨著時(shí)效應(yīng)力的增大Sn-58Bi釬料釬焊接頭組織中Bi相晶粒嚴(yán)重粗化。相同試驗(yàn)條件下，加入AL粉后的釬焊接頭組織中遷移速率較慢的Al顆粒延緩了組織中Bi相晶粒的移動(dòng)速度和粗化速率，Bi相晶粒細(xì)小、均勻分布。以3.0 N的應(yīng)力時(shí)效后，釬焊接頭的組織仍然細(xì)小均勻。

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