Sn58Bi-xW復合釬料焊點微觀組織及性能的研究

王國強，楊 莉，張堯成

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Sn58Bi-W復合釬料焊點微觀組織及性能的研究

王國強1，楊 莉2，張堯成2

（1. 蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215000；2. 常熟理工學院 汽車工程學院，江蘇 常熟 215500）

采用SEM、EDX等手段，研究了Sn58Bi-W釬料潤濕性能、組織形貌及焊點接頭力學性能。結果表明：適量W顆粒可以提高Sn58Bi潤濕性，隨著W顆粒含量的增加，釬料的潤濕性呈現先上升后下降的趨勢，W質量分數為0.05%時潤濕性最好，其鋪展面積為132.73 mm2。W顆粒可以有效細化Sn58Bi釬料合金的微觀組織，減小焊點界面IMC厚度，當W添加量為質量分數0.1%，Sn-58B釬料的微觀組織最為細小，界面IMC的厚度為0.71 μm，焊點的抗拉強度最高，達101.6 MPa。

Sn58Bi釬料；W顆粒；潤濕性能；微觀組織；IMC；拉伸性能

Sn58Bi釬料憑借其較低的封裝溫度，不僅在釬焊過程中可降低焊材熱膨脹系數不匹配而引起的損害，也可使不具備高溫性能的廉價電子元件和電路板得以使用。但SnBi釬料也存在一些不足：首先，Bi作為一種脆性元素，合金延展性小，使得其加工性能和使用性能顯著惡化；其次，SnBi釬料的焊接性能有待提高以防止焊點的剝離現象。

針對上述問題，國內外很多學者采用顆粒增強手段以改善釬料性能，從而提高焊點服役可靠性。景延峰等[1]在SnBi釬料中添加Al2O3顆粒，發現Al2O3顆粒可有效細化SnBi釬料組織，提高焊點力學性能。王小京等[2]研究發現加入一定量的合金元素Cu和Zn可以細化SnBi合金的組織并提高焊點抗拉強度。Zhang等[3]研究發現Sb顆粒能提高SnBi合金的剪切強度。董昌慧等[4]發現微量Co的添加使SnBi合金的抗拉強度和塑性都有了一定程度的提升。何鵬和王大勇等[5-6]同樣發現，適量Sb元素摻雜可細化SnBi組織，從而改善焊點力學性能。

前人在SnBi中添加增強顆粒做了大量研究，研究結果表明Co、Mo、Ag、Sb等對SnBi釬料的性能都分別有不同程度的提升。由于鎢熔點極高，硬度很大，蒸氣壓很低，蒸發速度也較小，化學性質也比較穩定，并且之前對顆粒鎢增強SnBi釬料的研究幾乎沒有。因此本文在前人研究的基礎上，選擇增強顆粒鎢作為添加組分，研究增強顆粒鎢對Sn-58Bi釬料潤濕性、顯微組織、界面IMC層生長行為及力學性能的演變規律，為SnBi釬料的推廣使用提供理論支撐。

1 實驗材料及方法

采用機械攪拌法制備W質量分數分別為0.025%，0.05%，0.1%，0.2%，0.4%的Sn58Bi復合釬料，增強顆粒W顆粒尺度為20~100 nm。將紫銅片打磨、清洗并烘干，在F4型回流焊機上進行潤濕性及力學性能焊點的制備。采用掃描儀掃描焊點后，利用AutoCAD的查詢功能測定釬料鋪展面積來評價釬料的潤濕性；采用Olympuds顯微鏡觀察分析焊點的組織及界面IMC的形貌，EDX能譜分析組織及界面元素成分，PTR1102型結合強度測試儀測試焊點的抗拉強度，掃描電鏡采集拉伸斷口形貌。

2 實驗結果及分析

2.1 釬料的潤濕性能

稱取0.23 g的釬料置于紫銅片中心位置進行回流焊，Sn58Bi-W釬料鋪展面積如圖1所示。可見，Ｗ顆粒的添加可以改善Sn58Bi釬料鋪展性能，SnBi-W釬料鋪展面積隨Ｗ含量增加呈先增大后減小的趨勢。Sn58Bi釬料在銅基板上的鋪展面積為50.14 mm2，當W顆粒的質量分數為0.05%時，釬料的潤濕性能最佳，鋪展面積達到了132.73 mm2，但當W顆粒的添加量繼續增加，復合釬料的鋪展面積減小，潤濕性變差。這是由于納米W顆粒活性強，且極易表面富集，從而降低了液態釬料表面張力，增加釬料流動性，使潤濕性得到明顯改善，但在納米W繼續增加時，由于納米W顆粒之間存在范德華力，導致W顆粒團聚，液態釬料粘度增大，鋪展性能降低，潤濕性變差。潤濕實驗結果表明，SnBi-W復合釬料性中Ｗ顆粒的最佳添加量為質量分數0.05%。

圖1 Sn58Bi-xW釬料的鋪展面積

2.2 釬料的顯微組織

圖2為Sn58Bi及Sn58Bi-W微觀組織照片。從圖2(a)可看出，Sn58Bi的微觀組織由白色的富Bi相和黑色的富Sn相組成，由呈片狀共晶和富Sn相枝晶組成。圖2(b~d)分別是加入質量分數0.025%~0.1% W顆粒的復合釬料的組織，可以看出微量W顆粒的添加可有效細化Sn58Bi釬料合金組織，當質量分數為0.1%，組織最為細小。圖3為Sn58Bi-0.1W微觀組織的元素分布，從圖3（d）中看出添加的W顆粒已經均勻分布在釬料組織中。由于在釬焊過程中彌散分布的納米W顆粒會成為微小的非均質形核質點，增加晶界成分過冷，對晶粒的生長起阻礙作用，從而縮小了共晶組織間距，細化晶粒。但當W顆粒質量分數超過0.1%，組織明顯變得粗大，如圖2(e~f)所示，這是由于納米級增強顆粒具有較高的表面自由能和界面不穩定性，在釬焊過程中產生團聚現象，對釬料的形核和長大趨勢的抑制作用明顯減弱，從而出現了如圖2(e~f)所示的組織粗化現象。當W顆粒質量分數為0.1%時，Sn58Bi-W釬料的顯微組織最為細小致密。

2.3 焊點界面IMC

圖4為Cu/Sn-58Bi-0.1W/Cu焊點界面IMC線性掃描元素分布圖。紅色曲線代表Sn的含量，綠色代表Bi的含量，藍色代表W的含量，由圖可以看出添加的納米W顆粒不僅在組織中均勻分布而且在界面中也有所分布。線掃的位置貫穿富Sn區，因此靠近界面的Sn含量相對較多，界面部分Sn元素的含量明顯最多并且存在微量的Bi顆粒，這是由于界面的主要成分是Cu6Sn5。Sn58Bi-W焊點界面IMC層平均厚度統計結果如圖5所示。可見，隨著W顆粒含量的增加，界面IMC的厚度呈現先上升后下降的趨勢，W顆粒的質量分數為0.2%時焊點界面IMC厚度最小，為0.713 μm。當W顆粒的質量分數為0~0.2%時，隨著W顆粒含量的增加，焊點的界面IMC層厚度逐漸降低，這是因為在釬焊的過程中，銅基板上的銅原子會向釬料的內部遷移，Cu6Sn5晶粒通過非均勻形核的方式在界面形成并長大，而Cu原子沿著晶界或某一晶向擴散速度較快，Cu在釬料中的等濃度線呈波浪狀或者扇貝狀分布[7]，因此彌散分布的納米W顆粒在晶界處可阻礙Cu原子遷移，從而抑制了Cu6Sn5的生長行為，同時擴散中的Cu原子在溫度梯度方向的運動受到抑制，使得Cu原子向附近Cu原子含量較低處擴散，使得Sn58Bi復合釬料焊點的界面IMC層厚度降低且較為均勻生長。當添加W的質量分數大于0.2%時，分布在界面處的W顆粒充當Cu6Sn5的形核點，降低形核所需的自由能，促進了界面的生長，界面明顯變厚。

圖2 Sn58Bi-xW釬料焊點微觀組織

圖3 Sn58Bi-0.1W釬料焊點微觀組織元素分布

圖4 Sn58Bi-0.1W釬料界面線性掃描元素分布

圖5 Sn58Bi-xW釬料界面IMC厚度

2.4 拉伸性能及斷口分析

圖6為Cu/Sn58Bi-W/Cu焊點抗拉強度的測試結果，拉伸速率為0.04 mm/s。Cu/Sn58Bi/Cu焊點拉伸強度為84.4 MPa，Ｗ顆粒的添加可提高Sn58Bi釬料接頭的抗拉強度，W顆粒質量分數為0.1%時，復合釬料焊點拉伸強度最高，為101.6 MPa，隨W含量進一步增加，焊點抗拉強度呈下降趨勢。由圖2分析可知，W顆粒質量分數為0.025%~0.1%時，隨著Ｗ含量的增加，Sn58Bi復合釬料的顯微組織明顯細化，焊點接頭的拉伸性能提高，同時Ｗ顆粒可以充當第二相質點，在外部拉伸作用下阻礙晶界處位錯的運動，并造成位錯塞積，為使塞積的位錯進一步運動，必須施加更大的外力，并在斷裂的過程中吸收更多的能量，使其在拉伸過程中不易發生斷裂，因而表現出較高的抗拉強度。當Sn58Bi釬料中的W顆粒質量分數增加到0.2%~0.4%時，復合釬料接頭的抗拉強度逐漸減少到91.3 MPa。從圖2(e~f)可知，過量的W顆粒使釬料的顯微組織粗化，而粗大的脆硬Bi相與軟Sn相的界面可作為裂紋形核點，在拉應力作用下易擴展長大而發生斷裂，導致抗拉強度的降低[8-9]。

圖6 Sn58Bi-xW接頭抗拉強度

圖7為Sn58Bi釬料和Sn58Bi-0.1W復合釬料焊點斷口SEM形貌。圖7(a)中斷口呈河流花樣，局部有少量臺階斷口形貌，斷裂模式整體呈脆性斷裂。圖7(b)斷口凹凸不平，在斷口表面存在大量不同直徑的韌窩，表現出明顯的韌性斷裂特征，可見適量的Ｗ顆粒的添加可以改善Sn58Bi焊點的塑韌性。

3 結論

（1）Ｗ顆粒的添加可以改善Sn58B釬料的潤濕性，隨著W含量的增加，釬料的潤濕性呈現先上升后下降的趨勢，Sn58Bi-0.05W復合釬料的潤濕性最佳，其鋪展面積最大，為132.73 mm2。

（2）納米W顆粒可以顯著細化Sn58Bi釬料合金的微觀組織，當W質量分數為0.1%時，組織最為細小。SnBi復合釬料的界面IMC厚度隨著W質量分數的增加(0~0.2%)逐漸變薄，當W的質量分數為0.4%時，界面明顯變厚。

圖7 Sn58Bi-xW釬料拉伸斷口形貌

（3）適量W顆粒的添加有利于提高Sn-Bi的抗拉強度，源于點狀W顆粒引起的彌散強化和位錯塞積作用，Sn58Bi-0.1W復合釬料接頭的抗拉強度為101.6 MPa，拉伸性能最佳。

（4）適量的W顆粒的添加可以改善Sn58Bi復合釬料焊點拉伸斷口形貌，在斷口表面存在大量不同直徑的韌窩，出現明顯的韌性斷裂特征。

[1] 景延峰, 楊莉, 葛進國, 等. Al2O3顆粒對Sn58Bi釬料組織及力學性能的影響 [J]. 熱加工工藝, 2015, 44(21): 196-200.

[2] 王小京, 劉彬, 周慧鈴, 等. P對Sn-Bi合金組織與性能的影響 [J]. 材料工程, 2016, 44(7): 113-118.

[3] ZHANG C, LIU S D. Effect of Sb content on properties of Sn-Bi solders [J]. Trans Nonferrous Met Soc Chin, 2014, 24: 184-191.

[4] 董昌慧, 王鳳江, 丁海健, 等. 微量Co的添加對Sn-Bi共晶釬料性能的影響 [J]. 熱加工工藝, 2015(1): 190-192.

[5] 何鵬, 安晶, 馬鑫, 等. 含碳納米管的Sn58Bi釬料的制備及其釬焊性 [J]. 焊接學報, 2011, 32(9): 9-12.

[6] 王大勇, 顧小龍, 張利民, 等. SnBiSb無鉛釬料的研究 [J]. 材料工程, 2006(1): 229-232.

[7] 位松, 尹立孟, 許章亮, 等. 錫基釬料與銅界面IMC的研究進展 [J]. 電子元件與材料, 2012, 31(1): 73-77.

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（編輯：陳渝生）

Microstructure and mechanical properties of Sn58Bi-Wcomposite solder

WANG Guoqiang1, YANG Li2, ZHANG Yaocheng2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Suzhou University, Suzhou 215000, Jiangsu Province, China; 2. School of Automotive Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, Jiangsu Province, China)

By using methods of SEM, EDX, etc., the wettability, microstructure and mechanical properties of Sn58Bi-W solder were studied. The results show that Sn58Bi wettability can be improved by adding proper amount of W particles. With the increase of W content, the wettability of brazing filler metal increases firstly and then decreases. When the mass fraction of W is 0.05%, The wettability is the best, and its spreading area is 132.73 mm2. W-particles can effectively refine the microstructure of Sn58Bi solder alloy and reduce the thickness of IMC in the interface. When the addition amount of W is 0.1% (mass fraction), the microstructure of Sn-58B solder is the smallest, the thickness of interface IMC is 0.71 μm, and the tensile strength of the solder joint is the highest, reaching 101.6 MPa.

Sn58Bi solder; tungsten particles; wettability; microstructure; IMC; tensile property

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.014

TG40

A

1001-2028（2017）11-0078-05

2017-09-29

楊莉

楊莉（1966－），女，陜西西安人，教授，從事材料加工及表面強化方面的研究，E-mail: yangli2011@cslg.cn ；

王國強（1992－），男，河南信陽人，研究生，從事材料加工及表面強化方面的研究，E-mail: changjiang1990610@qq.com。

2017-11-02 15:47

網絡出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171102.1547.014.html