Sn-0.7Cu-xNb復合釬料微觀組織和力學性能

劉政，張堯成，徐宇航，劉坡

(1.桂林航天工業學院，廣西 桂林 541004；2.常熟理工學院，江蘇 常熟 215500)

0 前言

由于Sn-0.7Cu釬料的原料Sn,Cu儲量豐富、價格低廉、無毒副作用，具有易生產、易回收、高導電性等優點，已經在波峰焊和倒裝焊中得到了實際應用[1-2]。但Sn-0.7Cu釬料在實際應用中還存在一系列問題，如Sn-0.7Cu無鉛釬料與傳統Sn-Pb釬料、SnAgCu共晶無鉛釬料相比，其熔點高、潤濕性差等缺點限制了進一步推廣[3]。

為了改善Sn-0.7Cu釬料的性能，在Sn-0.7Cu釬料基體中加入納米增強顆粒來優化Sn-0.7Cu的性能是一種行之有效的方法[4-5]。Tsao等人[6]研究了納米TiO2顆粒對Sn-Ag-Cu釬料微觀組織和顯微硬度的影響，發現TiO2顆粒細化了釬料的微觀組織，提高了釬料的顯微硬度；Mohd Salleh等人[7]研究了納米ZrO2對金屬間化合物生長行為和力學性能的影響，添加納米ZrO2顆粒抑制了金屬間化合物(IMC)的生長、提高了焊點的硬度和抗剪強度；Kumar等人[8]發現在SnAgCu釬料中添加納米Fe2O3顆粒，提高了釬料的潤濕性，阻礙了界面IMC的生長。

納米Nb顆粒是一種高熔點金屬顆粒，在高溫下才能與Sn產生Sn-Nb不穩定的金屬化合物；此外納米Nb顆粒具有較高的硬度且與Sn-0.7Cu釬料具有相近的密度。文中研究在Sn-0.7Cu釬料中添加納米Nb顆粒，經高溫熔煉制備Sn-0.7Cu復合釬料合金，研究納米Nb顆粒對Sn-0.7Cu釬料微觀組織、力學性能及斷裂形貌的影響。

1 試驗材料及方法

試驗用材為純度99.99%的Sn粉、99.95%的Cu粉及99.99%納米Nb顆粒粉。采用KSL-1200X箱式電阻爐加熱到550 ℃熔煉制備Sn-0.7Cu-xNb(x=0～0.48)復合釬料合金。采用Olympus GX51光學顯微鏡觀察復合釬料合金微觀組織。用DK 7740電火花線切割機制備拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖1所示。采用PTR-1102接合強度測試儀測試復合釬料合金的抗拉強度和斷后伸長率，加載速率0.04 mm/s，采用INSPECT S50掃描電鏡觀察拉伸試樣斷口的形貌。

圖1 拉伸試樣尺寸

2 試驗結果和討論

2.1 釬料的微觀組織

圖2為Sn-0.7Cu-xNb釬料的顯微組織形貌，從圖中可以看出，Sn-0.7Cu-xNb復合釬料的微觀組織由白色的初生β-Sn相和灰色網狀的β-Sn/Cu6Sn5共晶組織組成。而Sn-0.7Cu釬料合金的微觀組織主要呈現共晶組織和粗大的白色樹枝狀β-Sn相，β-Sn相的平均尺寸約為18.53 μm，如圖2a所示。納米Nb顆粒的添加細化了Sn-0.7Cu釬料的微觀組織，隨著納米Nb顆粒含量的增加，釬料的微觀組織呈先細化后粗化的趨勢。Sn-0.7Cu-0.12Nb復合釬料的微觀組織最為細小，β-Sn相平均尺寸為6.93 μm，如圖2d所示。當納米Nb顆粒的含量進一步增加時，β-Sn相逐漸粗化且分布不均勻。當納米Nb顆粒的含量為0.48%時，β-Sn相平均尺寸為14.13 μm，如圖2f所示。納米Nb顆粒的添加細化了Sn-0.7Cu釬料的微觀組織，這是由于納米Nb顆粒為釬料提供了異質形核的質點[9]，根據活性物質的吸附理論，β-Sn的表面自由能為：

(1)

(2)

由式(2)可知，β-Sn晶粒的表面自由能隨納米Nb顆粒的含量的增加而減少，根據吉布斯自由能可知，表面自由能的下降將抑制β-Sn晶粒的生長速度，即細化了釬料的微觀組織[10]。但納米Nb顆粒達到一定量時，納米Nb顆粒產生了團聚現象，造成異質形核質點的減少，同時弱化了晶粒生長的抑制作用，導致釬料合金微觀組織的粗化[11]。Sn-0.7Cu-0.12Nb復合釬料合金的EDS分析結果如圖3所示，釬料合金由Sn，Cu和Nb元素組成，納米Nb顆粒呈彌散分布狀態。

圖2 Sn-0.7Cu-xNb釬料的顯微組織

2.2 釬料的拉伸性能

Sn-0.7Cu-xNb復合釬料合金的抗拉強度和斷后伸長率如圖4所示。Sn-0.7Cu釬料的抗拉強度和斷后伸長率分別為17.29 MPa和57.18%。隨納米Nb顆粒含量的增加，復合釬料合金的抗拉強度呈現先上升后下降的趨勢，而斷后伸長率則呈現先下降后上升的趨勢。當納米Nb的含量為0.12%時，復合釬料的抗拉強度達到最大值25.36 MPa，而其斷后伸長率則為最小值48.86%。繼續增加Nb顆粒的含量，復合釬料合金的抗拉強度逐漸減小而斷后伸長率逐漸增大，Sn-0.7Cu-0.48Nb的抗拉強度為19.56 MPa，高于Sn-0.7Cu的抗拉強度，斷后伸長率為57.18%，低于Sn-0.7Cu的斷后伸長率。適量的納米Nb顆粒增大了Sn-0.7Cu釬料合金的抗拉強度，可以用式(3)來解釋：

圖4 Sn-0.7Cu-xNb釬料抗拉強度和斷后伸長率

(3)

式中:Rm為臨界抗拉強度；?為常數；f為增強顆粒的體積分數；r為增強顆粒的尺寸。可見，增強顆粒的體積分數越大尺寸越小，臨界抗拉強度越大[12]。增強粒子Nb顆粒細化了微觀組織，增強了復合釬料的抗拉強度。但納米Nb顆粒達到一定量時粗化了Sn-0.7Cu釬料的微觀組織(圖2)。此外，團聚在一起的納米Nb顆粒在釬料凝固的過程中會導致裂紋的產生，降低了釬料的抗拉強度[7]。

2.3 斷口分析

Sn-0.7Cu-xNb復合釬料合金的拉伸斷口形貌如圖5所示。Sn-0.7Cu-xNb復合釬料合金拉伸斷口表面都有撕裂棱和韌窩的存在，說明復合釬料合金的斷裂模式為塑性斷裂。但不同Nb含量的釬料合金拉伸斷口形貌呈現出不同的特征。Sn-0.7Cu釬料拉伸試樣斷口韌窩尺寸較大且存在明顯的撕裂棱特征如圖5a所示。隨Nb含量的增加，復合釬料合金拉伸試樣斷口表面韌窩尺寸逐漸變小，均勻分布于斷口表面。Sn-0.7Cu-0.12Nb符合釬料拉伸斷口表面的韌窩尺寸較小、深度較淺，如圖5d所示。韌窩的形成與釬料內Cu6Sn5金屬間化合物的出現有關，并且Cu6Sn5的尺寸決定著韌窩尺寸的大小[13]。這表明微量的納米Nb不僅能細化釬料合金的組織，而且可以抑制合金內Cu6Sn5金屬間化合物的長大，使其尺寸更為細小，在一定程度上解釋復合釬料抗拉強度增大的原因[14]。隨著Nb含量的進一步增加，斷口表面韌窩尺寸呈現變大的趨勢如圖5e、圖5f所示，這可能是納米Nb顆粒達到一定量后出現團聚而減弱了細化組織的作用造成的。

3 結論

(1)添加微量納米Nb顆粒細化了Sn-0.7Cu復合釬料顯微組織，改善復合釬料的組織分布，Sn-0.7Cu-0.12Nb復合釬料的顯微組織最為細小。

(2)β-Sn晶粒的表面自由能隨納米Nb顆粒的含量的增加而減少，表面自由能的下降將抑制β-Sn晶粒的生長速度。

(3)Sn-0.7Cu基復合釬料的抗拉強度隨Nb含量的增加呈先上升后下降的趨勢，斷后伸長率變化趨勢相反。當Nb含量為0.12%時，復合釬料的抗拉強度最大為25.36 MPa，而當Nb含量為0.06%時，復合釬料的塑性最佳，斷后伸長率為62.18%。

(4)Sn-0.7Cu-xNb復合釬料的斷裂模式為塑性斷裂。隨Nb含量的增加，Sn-0.7Cu基復合釬料合金拉伸試樣斷口表面韌窩尺寸逐漸變小，表明微量的納米Nb可以抑制合金內Cu6Sn5金屬間化合物長大。