BiSbCuSnEr无铅高温软钎料力学性能和显微组织研究

一拖（洛阳）中成机械有限公司　　温荣　贾利

BiSbCuSnEr无铅高温软钎料力学性能和显微组织研究

一拖（洛阳）中成机械有限公司温荣贾利

SnPb合金软钎料的熔点低、润湿性较好、性能优良、成本低廉，已被广泛应用于电子表面封装SMT的电路板及电子元器件的钎焊封装中。但是铅对人体有害且污染环境，世界各国纷纷立法限制含铅钎料的使用，钎料无铅化已成为发展的必然趋势。BiSb作为一种常用的研究无铅钎料的基体，被很多研究者使用。但是，该基体较脆，强度低，在研究中一般希望通过加入Cu、Sn来改善基体性能［1］。本文以BiSbCuSn系无铅钎料为基体，通过加入稀土Er，在保证基体合金钎料熔点（250℃～380℃）变化不大的前提下，来改善无铅高温软钎料的力学性能。

BiSbCuSn系高温无铅软钎料；稀土Er；力学性能；显微组织

1　引言

在工业上，钎焊被定义为采用比母材熔化温度低的钎料，操作温度采用低于母材固相线而高于钎料液相线的一种焊接技术［2］。在钎焊过程中，利用钎料熔点比母材低这一特性，使钎料与母材同时受热，母材保持固态，而钎料熔化润湿、流动、填充两母材之间的间隙形成接头，从而实现连接。本课题在BiSbCuSn基体研究基础上，通过添加稀土Er形成一种新型含稀土的无铅高温软钎料。研究不同Er含量对该钎料合金抗拉强度、剪切强度及延伸率的影响，并分析Er的作用机理。

2　合金设计及性能测定

2.1合金成分设计

试验所用的原材料为纯Bi、Sb、Cu、Sn、Er，其纯度都在99.5%以上。将以上原材料按表1-1中所示的比例用电子天平进行称量配制（误差控制在±1%以内）。在已有的试验研究中得知：BiSbCuSn四元钎料合金的力学性能只有在含Sn量为0.8%时，其力学性能最好。本文旨在Bi5Sb2Cu8Sn四元钎料合金基础上添加稀土，来研究稀土的加入能否再将钎料合金的性能提高一些，以获得更高性能的高温无铅软铅料。加入的稀土含量如表1-1所示。试验中共配制五种稀土含量不同的合金各60克。

表1-1　实验中所用钎料合金配制比例（质量百分比）

将配制好的原材料在真空度为5×10-2Pa的非自耗真空电弧熔炼炉中熔炼，30分钟后取出，合金需翻转反复熔炼三次，这样可以很好地保证合金的均匀度，得到60克纽扣状材料取出待用。

2.2合金力学性能测定

2.2.1拉伸性能的测定

拉伸试样尺寸如图2-1a所示。为了保证拉伸试样尺寸的均一，自制了专用拉伸试样卡具，如图2-1b。模具材料为ZA102。拉伸试样制备过程如下：

首先，将在非自耗真空电弧熔炼炉中熔炼好的合金试样放在坩锅中，将其在高温炉中再次熔化，熔化温度约为400℃，同时将金属模放在高温炉中预热，可增加合金钎料的流动性。在将金属模放进炉子前，先在其上涂少许脱模剂，以便顺利取出浇注好的合金试样。

其次，将预热好的金属模取出，然后取出炉中已经熔化好的液态合金，迅速将液态合金浇入金属模中，放在地上空冷，随后将试样取出。要求浇注好的试样不能有明显的裂纹和气孔。每组合金浇注3个试样，共需浇注15个。

然后，将浇注好的试样进行回火处理，回火工艺：100℃，保温2h。

拉伸实验在AG-I250KN万能试验机上进行，加载速率为1mm/min，测试温度为25℃。

图2-1　拉伸试验试样及模具（单位/mm）

2.2.2剪切强度的测定

钎料在实际工作环境中，承受的载荷主要是剪切应力。剪切强度试验采用的试样为单剪搭接接头，母材为25mm×80mm× 3mm的紫铜板，试样尺寸、剪切试样专用模具图及剪切断面示意图如图2-2a、2-2b、2-2c所示。

a）剪切试样（单位/mm）

图2-2　剪切试样及制备模具

剪切试样的制备过程如下：在焊接前要对两块铜板接头处进行打磨，并用酒精清洗，以便去除铜板表面氧化皮及其他杂质。两块铜板同样要在高温炉中进行焊接，搭接长度为10mm，为了保证焊缝厚度及防止焊料外流，在铜板搭接接头两边加入两段Φ0.1mm铜丝。同时钎料尽可能在平板上铺成0.2mm厚，并尽量制成10mm×25mm的薄板。钎焊时间可以是7～8min，取出自然空冷至室温。为了消除残余应力的影响，对剪切试样应进行回火处理，回火工艺：100℃，保温2h。

剪切试验设备为AG-I/250KN电子拉伸实验机，试验温度25℃，应变速率1mm/s。每种钎料合金均做3个试件，取其平均值作为该钎料及钎焊接头的强度。

在剪切强度按照式2-1进行计算，其中Fmax是材料的最大剪切力。S为剪切试样实际接触面积，该面积可用扫描仪扫描到电脑上，用CAD软件将其算出。然后根据公式2-1可算出材料的剪切强度τ。

式中：τ——剪切强度（MPa），Fmax——最大剪切力（kN），S——实际接触面积（m2）

2.2.3延伸率的测定

材料的延伸率可用常规的试验方法，即先在图2-1所示的试棒中间细颈处画两段线，用游标卡尺测得该段距离记为L1，同时用卡尺在每个试棒细颈处测量三次试棒直径，取最小的值作为该试棒的直径，注意此时不能求其平均值。在试棒拉断后，再用卡尺测得拉断后该段距离记为L2，注意此时试棒断口要对紧，保证测量的精确。延伸率计算公式为：

式中：L1——拉伸前试棒长度（mm），L2——拉伸后试棒的长度（mm），δ——材料的延伸率。

3　稀土（Er）含量对BiSbCuSnEr钎料力学性能的影响

3.1稀土含量对抗拉强度的影响

不同稀土含量的BiSbCuSbEr钎料及基体钎料的抗拉强度如图3-1所示，可以看出：基体的抗拉强度较高为52MPa，而含稀土Er的钎料合金抗拉强度均较基体钎料稍低。在稀土含量为小于0.5%时，稀土的加入明显地降低了钎料合金的抗拉强度，在稀土含量只有0.25%时，材料的抗拉强度只有46.1MPa。但随着稀土的增加，材料的抗拉强度也随之增加，当其含量达到0.5%时，材料的抗拉强度达到最好，为49.3MPa。但当稀土含量超过0.5%时，材料的抗拉强度逐渐下降，当稀土含量为1.5%时，材料的抗拉强度只有36.7MPa。

图3-1　稀土（Er）含量对钎料拉伸强度的影响

3.3稀土含量对剪切强度和延伸率的影响

图3-2为基体钎料的剪切强度以及不同稀土含量对BiSbCuSnEr钎料合金剪切强度的影响结果。可以看出：加入稀土后，合金钎料的剪切强度总体比基体的稍低，在稀土含量为0.5%时，钎料的剪切强度最高，可达到16.1MPa；当稀土含量超过0.5%时，剪切强度随着其含量的增加而降低。

图3-2　稀土（Er）含量对钎料剪切强度的影响

材料延伸率变化如图3-3所示，可以看出，加入稀土后，钎料合金的延伸率下降明显。随着稀土的增加，延伸率又会出现上升趋势，当稀土含量为1.0%时，延伸率达到最大值，但当稀土含量大于1.0%时，又会随着稀土的增加而降低。

图3-3　稀土（Er）含量对钎料延伸率的影响

4　结论

本文通过试验，系统地研究了Er对钎料力学性能的影响，新型BiSbCuSn+稀土（Er）高温无铅钎料在适当加入稀土后并没有很好地改善钎料的力学性能。合金的抗拉强度和剪切强度都稍微比BiSbCuSn基体的低，基体钎料的抗拉强度为52MPa，剪切强度为17Mpa，但当稀土的加入量等于0.5%时，钎料合金的力学性能与基体的相近，此时钎料的工艺性能和力学性能较好。

［1］马鑫，董本霞.无铅钎料发展现状.电子工艺技术，2002，23（2）：46-50

［2］张启运，庄鸿寿.钎焊手册.北京：机械工业出版社，1999：4-6