Sn58Bi-xW复合钎料焊点微观组织及性能的研究

王国强，杨 莉，张尧成



Sn58Bi-W复合钎料焊点微观组织及性能的研究

王国强1，杨 莉2，张尧成2

（1. 苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215000；2. 常熟理工学院 汽车工程学院，江苏 常熟 215500）

采用SEM、EDX等手段，研究了Sn58Bi-W钎料润湿性能、组织形貌及焊点接头力学性能。结果表明：适量W颗粒可以提高Sn58Bi润湿性，随着W颗粒含量的增加，钎料的润湿性呈现先上升后下降的趋势，W质量分数为0.05%时润湿性最好，其铺展面积为132.73 mm2。W颗粒可以有效细化Sn58Bi钎料合金的微观组织，减小焊点界面IMC厚度，当W添加量为质量分数0.1%，Sn-58B钎料的微观组织最为细小，界面IMC的厚度为0.71 µm，焊点的抗拉强度最高，达101.6 MPa。

Sn58Bi钎料；W颗粒；润湿性能；微观组织；IMC；拉伸性能

Sn58Bi钎料凭借其较低的封装温度，不仅在钎焊过程中可降低焊材热膨胀系数不匹配而引起的损害，也可使不具备高温性能的廉价电子元件和电路板得以使用。但SnBi钎料也存在一些不足：首先，Bi作为一种脆性元素，合金延展性小，使得其加工性能和使用性能显著恶化；其次，SnBi钎料的焊接性能有待提高以防止焊点的剥离现象。

针对上述问题，国内外很多学者采用颗粒增强手段以改善钎料性能，从而提高焊点服役可靠性。景延峰等[1]在SnBi钎料中添加Al2O3颗粒，发现Al2O3颗粒可有效细化SnBi钎料组织，提高焊点力学性能。王小京等[2]研究发现加入一定量的合金元素Cu和Zn可以细化SnBi合金的组织并提高焊点抗拉强度。Zhang等[3]研究发现Sb颗粒能提高SnBi合金的剪切强度。董昌慧等[4]发现微量Co的添加使SnBi合金的抗拉强度和塑性都有了一定程度的提升。何鹏和王大勇等[5-6]同样发现，适量Sb元素掺杂可细化SnBi组织，从而改善焊点力学性能。

前人在SnBi中添加增强颗粒做了大量研究，研究结果表明Co、Mo、Ag、Sb等对SnBi钎料的性能都分别有不同程度的提升。由于钨熔点极高，硬度很大，蒸气压很低，蒸发速度也较小，化学性质也比较稳定，并且之前对颗粒钨增强SnBi钎料的研究几乎没有。因此本文在前人研究的基础上，选择增强颗粒钨作为添加组分，研究增强颗粒钨对Sn-58Bi钎料润湿性、显微组织、界面IMC层生长行为及力学性能的演变规律，为SnBi钎料的推广使用提供理论支撑。

1 实验材料及方法

采用机械搅拌法制备W质量分数分别为0.025%，0.05%，0.1%，0.2%，0.4%的Sn58Bi复合钎料，增强颗粒W颗粒尺度为20~100 nm。将紫铜片打磨、清洗并烘干，在F4型回流焊机上进行润湿性及力学性能焊点的制备。采用扫描仪扫描焊点后，利用AutoCAD的查询功能测定钎料铺展面积来评价钎料的润湿性；采用Olympuds显微镜观察分析焊点的组织及界面IMC的形貌，EDX能谱分析组织及界面元素成分，PTR1102型结合强度测试仪测试焊点的抗拉强度，扫描电镜采集拉伸断口形貌。

2 实验结果及分析

2.1 钎料的润湿性能

称取0.23 g的钎料置于紫铜片中心位置进行回流焊，Sn58Bi-W钎料铺展面积如图1所示。可见，Ｗ颗粒的添加可以改善Sn58Bi钎料铺展性能，SnBi-W钎料铺展面积随Ｗ含量增加呈先增大后减小的趋势。Sn58Bi钎料在铜基板上的铺展面积为50.14 mm2，当W颗粒的质量分数为0.05%时，钎料的润湿性能最佳，铺展面积达到了132.73 mm2，但当W颗粒的添加量继续增加，复合钎料的铺展面积减小，润湿性变差。这是由于纳米W颗粒活性强，且极易表面富集，从而降低了液态钎料表面张力，增加钎料流动性，使润湿性得到明显改善，但在纳米W继续增加时，由于纳米W颗粒之间存在范德华力，导致W颗粒团聚，液态钎料粘度增大，铺展性能降低，润湿性变差。润湿实验结果表明，SnBi-W复合钎料性中Ｗ颗粒的最佳添加量为质量分数0.05%。

图1 Sn58Bi-xW钎料的铺展面积

2.2 钎料的显微组织

图2为Sn58Bi及Sn58Bi-W微观组织照片。从图2(a)可看出，Sn58Bi的微观组织由白色的富Bi相和黑色的富Sn相组成，由呈片状共晶和富Sn相枝晶组成。图2(b~d)分别是加入质量分数0.025%~0.1% W颗粒的复合钎料的组织，可以看出微量W颗粒的添加可有效细化Sn58Bi钎料合金组织，当质量分数为0.1%，组织最为细小。图3为Sn58Bi-0.1W微观组织的元素分布，从图3（d）中看出添加的W颗粒已经均匀分布在钎料组织中。由于在钎焊过程中弥散分布的纳米W颗粒会成为微小的非均质形核质点，增加晶界成分过冷，对晶粒的生长起阻碍作用，从而缩小了共晶组织间距，细化晶粒。但当W颗粒质量分数超过0.1%，组织明显变得粗大，如图2(e~f)所示，这是由于纳米级增强颗粒具有较高的表面自由能和界面不稳定性，在钎焊过程中产生团聚现象，对钎料的形核和长大趋势的抑制作用明显减弱，从而出现了如图2(e~f)所示的组织粗化现象。当W颗粒质量分数为0.1%时，Sn58Bi-W钎料的显微组织最为细小致密。

2.3 焊点界面IMC

图4为Cu/Sn-58Bi-0.1W/Cu焊点界面IMC线性扫描元素分布图。红色曲线代表Sn的含量，绿色代表Bi的含量，蓝色代表W的含量，由图可以看出添加的纳米W颗粒不仅在组织中均匀分布而且在界面中也有所分布。线扫的位置贯穿富Sn区，因此靠近界面的Sn含量相对较多，界面部分Sn元素的含量明显最多并且存在微量的Bi颗粒，这是由于界面的主要成分是Cu6Sn5。Sn58Bi-W焊点界面IMC层平均厚度统计结果如图5所示。可见，随着W颗粒含量的增加，界面IMC的厚度呈现先上升后下降的趋势，W颗粒的质量分数为0.2%时焊点界面IMC厚度最小，为0.713 µm。当W颗粒的质量分数为0~0.2%时，随着W颗粒含量的增加，焊点的界面IMC层厚度逐渐降低，这是因为在钎焊的过程中，铜基板上的铜原子会向钎料的内部迁移，Cu6Sn5晶粒通过非均匀形核的方式在界面形成并长大，而Cu原子沿着晶界或某一晶向扩散速度较快，Cu在钎料中的等浓度线呈波浪状或者扇贝状分布[7]，因此弥散分布的纳米W颗粒在晶界处可阻碍Cu原子迁移，从而抑制了Cu6Sn5的生长行为，同时扩散中的Cu原子在温度梯度方向的运动受到抑制，使得Cu原子向附近Cu原子含量较低处扩散，使得Sn58Bi复合钎料焊点的界面IMC层厚度降低且较为均匀生长。当添加W的质量分数大于0.2%时，分布在界面处的W颗粒充当Cu6Sn5的形核点，降低形核所需的自由能，促进了界面的生长，界面明显变厚。

图2 Sn58Bi-xW钎料焊点微观组织

图3 Sn58Bi-0.1W钎料焊点微观组织元素分布

图4 Sn58Bi-0.1W钎料界面线性扫描元素分布

图5 Sn58Bi-xW钎料界面IMC厚度

2.4 拉伸性能及断口分析

图6为Cu/Sn58Bi-W/Cu焊点抗拉强度的测试结果，拉伸速率为0.04 mm/s。Cu/Sn58Bi/Cu焊点拉伸强度为84.4 MPa，Ｗ颗粒的添加可提高Sn58Bi钎料接头的抗拉强度，W颗粒质量分数为0.1%时，复合钎料焊点拉伸强度最高，为101.6 MPa，随W含量进一步增加，焊点抗拉强度呈下降趋势。由图2分析可知，W颗粒质量分数为0.025%~0.1%时，随着Ｗ含量的增加，Sn58Bi复合钎料的显微组织明显细化，焊点接头的拉伸性能提高，同时Ｗ颗粒可以充当第二相质点，在外部拉伸作用下阻碍晶界处位错的运动，并造成位错塞积，为使塞积的位错进一步运动，必须施加更大的外力，并在断裂的过程中吸收更多的能量，使其在拉伸过程中不易发生断裂，因而表现出较高的抗拉强度。当Sn58Bi钎料中的W颗粒质量分数增加到0.2%~0.4%时，复合钎料接头的抗拉强度逐渐减少到91.3 MPa。从图2(e~f)可知，过量的W颗粒使钎料的显微组织粗化，而粗大的脆硬Bi相与软Sn相的界面可作为裂纹形核点，在拉应力作用下易扩展长大而发生断裂，导致抗拉强度的降低[8-9]。

图6 Sn58Bi-xW接头抗拉强度

图7为Sn58Bi钎料和Sn58Bi-0.1W复合钎料焊点断口SEM形貌。图7(a)中断口呈河流花样，局部有少量台阶断口形貌，断裂模式整体呈脆性断裂。图7(b)断口凹凸不平，在断口表面存在大量不同直径的韧窝，表现出明显的韧性断裂特征，可见适量的Ｗ颗粒的添加可以改善Sn58Bi焊点的塑韧性。

3 结论

（1）Ｗ颗粒的添加可以改善Sn58B钎料的润湿性，随着W含量的增加，钎料的润湿性呈现先上升后下降的趋势，Sn58Bi-0.05W复合钎料的润湿性最佳，其铺展面积最大，为132.73 mm2。

（2）纳米W颗粒可以显著细化Sn58Bi钎料合金的微观组织，当W质量分数为0.1%时，组织最为细小。SnBi复合钎料的界面IMC厚度随着W质量分数的增加(0~0.2%)逐渐变薄，当W的质量分数为0.4%时，界面明显变厚。

图7 Sn58Bi-xW钎料拉伸断口形貌

（3）适量W颗粒的添加有利于提高Sn-Bi的抗拉强度，源于点状W颗粒引起的弥散强化和位错塞积作用，Sn58Bi-0.1W复合钎料接头的抗拉强度为101.6 MPa，拉伸性能最佳。

（4）适量的W颗粒的添加可以改善Sn58Bi复合钎料焊点拉伸断口形貌，在断口表面存在大量不同直径的韧窝，出现明显的韧性断裂特征。

[1] 景延峰, 杨莉, 葛进国, 等. Al2O3颗粒对Sn58Bi钎料组织及力学性能的影响 [J]. 热加工工艺, 2015, 44(21): 196-200.

[2] 王小京, 刘彬, 周慧铃, 等. P对Sn-Bi合金组织与性能的影响 [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, 王凤江, 丁海健, 等. 微量Co的添加对Sn-Bi共晶钎料性能的影响 [J]. 热加工工艺, 2015(1): 190-192.

[5] 何鹏, 安晶, 马鑫, 等. 含碳纳米管的Sn58Bi钎料的制备及其钎焊性 [J]. 焊接学报, 2011, 32(9): 9-12.

[6] 王大勇, 顾小龙, 张利民, 等. SnBiSb无铅钎料的研究 [J]. 材料工程, 2006(1): 229-232.

[7] 位松, 尹立孟, 许章亮, 等. 锡基钎料与铜界面IMC的研究进展 [J]. 电子元件与材料, 2012, 31(1): 73-77.

[8] 邱希亮, 郝成丽, 修子扬, 等. Y2O3/Sn58Bi复合钎料制备及性能分析 [J]. 焊接学报, 2017, 58(1): 91-94.

[9] 王广顺, 杨莉, 葛进国, 等. Sn-Bi+纳米石墨复合钎料组织和力学性能研究 [J]. 热加工工艺, 2014, 43(15): 205-207.

（编辑：陈渝生）

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

杨莉

杨莉（1966－），女，陕西西安人，教授，从事材料加工及表面强化方面的研究，E-mail: yangli2011@cslg.cn ；

王国强（1992－），男，河南信阳人，研究生，从事材料加工及表面强化方面的研究，E-mail: changjiang1990610@qq.com。

2017-11-02 15:47

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