简介概要

快速凝固Sn2.5Ag0.7Cu钎料中金属间化合物的形态及对焊点性能的影响

来源期刊:中国有色金属学报2010年第10期

论文作者:赵国际 张柯柯 罗键

文章页码:2025 - 2031

关键词:Sn2.5Ag0.7Cu;钎料;金属间化合物;快速凝固;钎焊

Key words:Sn2.5Ag0.7Cu; solder; intermetallic compound (IMC); rapid solidification; soldering

摘    要:利用SP009A型半自动非金属系制造器,通过铜制单辊快淬工艺制得快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金薄带,采用JSM-5610LV 扫描电镜及能谱仪,研究快速凝固态钎料合金的微观形貌及金属间化合物(IMC)特征;通过钎焊接头组织与剪切断口分析,研究IMC对钎焊接头韧性的影响机制。结果表明:快速凝固态钎料合金焊点界面处形成的排列紧密的小尺寸β-Sn能有效抑制界面处IMC Cu6Sn5的长大;在钎焊过程中,钎料中过饱和固溶体析出大量尺寸细小、弥散分布的金属间化合物Cu6Sn5和Ag3Sn,凝固时可作为第二相粒子与初生相混杂在一起,形成细小共晶组织分布于钎缝中,改善了焊点韧性。

Abstract: Rapid solidification Sn2.5Ag0.7Cu solder alloy ribbons were produced by single copper roller process with SP009A semi-automatic nonmetal series fabricate machine, and the micro-morphology and properties of intermetallic compound (IMC) were studied by JSM-5610LV scanning electronic microscope and energy spectrum analyzer. Through the analysis on the microstructure and shear fracture of the soldering joint, the influence mechanism of IMC on the toughness of soldering joint was studied. The results show that,in solder joint by using rapid solidification solder alloy, small size β-Sn tight arrangement at the interface can effectively inhibit the growth of IMC Cu6Sn5, and the IMC Cu6Sn5 and Ag3Sn in the supersaturated solid solution with small size and dispersive distribution massively precipitate as the second phase particle confounding with the primary phase during the solidification process to form fine eutectic structure in the soldering beam, and the toughness of soldering joint is improved.



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文章编号:1004-0609(2010)10-2025-07

快速凝固Sn2.5Ag0.7Cu钎料中金属间化合物的形态及对焊点性能的影响

赵国际1, 2,张柯柯3,罗  键2

(1. 重庆大学 材料科学与工程学院,重庆 400044;2. 重庆大学 机械传动国家重点实验室,重庆 400044;

3. 河南科技大学 材料科学与工程学院,洛阳 471003)

摘  要:利用SP009A型半自动非金属系制造器,通过铜制单辊快淬工艺制得快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金薄带,采用JSM-5610LV 扫描电镜及能谱仪,研究快速凝固态钎料合金的微观形貌及金属间化合物(IMC)特征;通过钎焊接头组织与剪切断口分析,研究IMC对钎焊接头韧性的影响机制。结果表明:快速凝固态钎料合金焊点界面处形成的排列紧密的小尺寸β-Sn能有效抑制界面处IMC Cu6Sn5的长大;在钎焊过程中,钎料中过饱和固溶体析出大量尺寸细小、弥散分布的金属间化合物Cu6Sn5和Ag3Sn,凝固时可作为第二相粒子与初生相混杂在一起,形成细小共晶组织分布于钎缝中,改善了焊点韧性。

关键词:Sn2.5Ag0.7Cu;钎料;金属间化合物;快速凝固;钎焊

中图分类号:TG454       文献标志码:A

Micro-morphology of intermetallic compounds in rapid solidification

Sn2.5Ag0.7Cu solder alloy and its effects on performance of solder joint

ZHAO Guo-ji1, 2, ZHANG Ke-ke3, LUO Jian2

(1. School of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;

2. The State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, China;

3. School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Abstract: Rapid solidification Sn2.5Ag0.7Cu solder alloy ribbons were produced by single copper roller process with SP009A semi-automatic nonmetal series fabricate machine, and the micro-morphology and properties of intermetallic compound (IMC) were studied by JSM-5610LV scanning electronic microscope and energy spectrum analyzer. Through the analysis on the microstructure and shear fracture of the soldering joint, the influence mechanism of IMC on the toughness of soldering joint was studied. The results show that,in solder joint by using rapid solidification solder alloy, small size β-Sn tight arrangement at the interface can effectively inhibit the growth of IMC Cu6Sn5, and the IMC Cu6Sn5 and Ag3Sn in the supersaturated solid solution with small size and dispersive distribution massively precipitate as the second phase particle confounding with the primary phase during the solidification process to form fine eutectic structure in the soldering beam, and the toughness of soldering joint is improved.

Key words: Sn2.5Ag0.7Cu; solder; intermetallic compound (IMC); rapid solidification; soldering

近几年来,利用快速凝固方法制备急冷态甚至非晶态钎料合金在材料加工领域得到了广泛的研究与应用[1-3]。与常态钎料相比,经快速凝固技术制备的钎料具有合金化程度高、化学成分均匀、熔点较低、熔化区间窄、流动性好、铺展润湿性好等优点,可以缩短钎焊时间,提高钎焊质量[3-5]

在现有的无铅钎料中,SnAgCu系钎料合金以其较好的综合性能得到了广泛应用[6-7]。然而,与SnPb合金相比,SnAgCu系钎料熔点较高、且存在Ag3Sn等粗大IMC颗粒,会导致低流动性和焊点的非均匀 性[8-9],不利于工业应用。

利用快速凝固技术可以改变SnAgCu系钎料合金特性。DUTKIEWICZ等[10]研究表明,SnAgCu合金在高冷速条件下,β-Sn相含量显著增加;KIM等[11]研究了冷却速度对SnAgCu钎料组织及金属间化合物Ag3Sn形貌与分布的影响;SHEN等[12]关于Sn3.5Ag钎料的研究表明,快速凝固可以使晶粒细化,同时,可以使钎料中作为强化相的金属间化合物Ag3Sn的分布更加均匀,有利于提高连接性能。

界面IMC的形成与特性决定了焊点的可靠性[13]。本文作者在对SnAgCu系无铅钎料早期研究基础   上[14-15],选取Sn2.5Ag0.7Cu常态钎料合金为参照系,研究单辊法制备快速凝固钎料中金属间化合物(IMC)的形态及对其钎焊的影响,对于新型环保型、高可靠性、无铅钎料的开发与应用具有一定的理论和实用价值。

1  实验

1.1  钎料的制备

采用纯度为99.9%(质量分数)的Sn、Ag、Cu为原料,在真空度为5×10-3 Pa的非自耗电炉ZHW-600A中进行真空熔炼,制备常态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金。

取常态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金约20 g,利用SP009A型半自动非金属系制造器,通过铜制单辊快淬工艺制得快速凝固态钎料合金薄带(宽6 mm,厚50~80 μm)。快凝单辊直径为350 mm,铜辊面线速度为44 m/s。快速凝固钎料薄带制备后立即置于液氮中保存备用以防止氧化与再结晶。

1.2  仪器分析

利用JSM-5610LV扫描电镜对快速凝固态钎料薄带进行微观形貌分析,利用EDAX能谱分析仪进行成分分析,其中腐蚀试样用4%硝酸酒精浸蚀60 s后在纯酒精中进行超声波清洗。

1.3  钎焊试验与接头分析

钎焊焊点为搭接,焊点试样的结构示意图如图1

图1  钎焊焊点试样结构示意图(mm)

Fig.1  Schematic diagram of test specimen for soldering joint (mm): (a) Soldering base metal; (b) Soldering joint sample

所示。

将常态钎料合金在轧辊机上轧制成0.2 mm厚的薄片,并用砂纸打磨以除去其氧化皮及污垢,然后,置于丙酮中清洗并吹干;快速凝固态钎料薄带折叠4层使用;钎剂采用22%(体积分数)ZnCl2+2%NH4Cl水溶液。在焊前清理的试样的待钎焊面上滴上2~3滴钎剂,将钎料薄片(薄带)剪成15 mm×4 mm的矩形,置于焊点之间,放入4-13型箱式电阻炉中进行钎焊试验,钎焊温度为265 ℃,时间为3 min(钎焊时间是指将常温下装配好的接头自放入加热炉至取出的时间),制备常态与快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金钎焊接头试样。

分别将使用快速凝固态和常态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金钎焊后的接头试样用线切割的方法横向切开,制备金相试样,用1%的盐酸甲醇浸蚀8 s,经超声波清洗后,在JSM-5610LV扫描电镜(SEM)下观察分析接头组织特征,利用EDAX能谱仪进行特征位置成分分析。

分别将使用快速凝固态和常态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金钎焊后的接头试样室温下在AG-I 250KN万能材料试验机上进行剪切拉断后,经超声波清洗,采用JSM-5610LV扫描电镜(SEM)对钎料/铜钎焊焊点的剪切断口进行观察。

2  结果与讨论

2.1  钎料的微观形貌

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