时效温度对Sn-0.7Cu-xFe钎焊接头可靠性的影响

(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)

时效温度对Sn-0.7Cu-xFe钎焊接头可靠性的影响

宋兵兵1,2杨莉2蒋立诚2于华宽2相积岑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)

研究了时效温度对钎料Sn-0.7Cu及Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头微观组织和接头拉伸强度及断口形貌的影响规律。结果表明：随着时效温度提高，焊点组织粗化，钎料中Cu6Sn5化合物形貌由针状向棒状转变，且长大趋势较明显，Fe颗粒的添加可以延缓时效过程中Sn-0.7Cu-xFe接头微观组织中Cu6Sn5的粗化程度；钎焊接头抗拉强度随着时效温度提高呈现下降趋势，且在相同时效温度下钎料Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头抗拉强度均高于Sn-0.7Cu；随着时效温度提高，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎料钎焊接头断口形貌主要由韧窝和河流解理花样组成，接头的断裂机制随时效温度的升高由塑性断裂逐渐转变为脆性断裂。

钎料接头时效温度微观组织抗拉强度

0 序 言

电子元器件微型化，装配密集化发展，促进了电子封装产业的发展。电子元器件的可靠性很大程度上取决于焊点的可靠性，因此如何提高焊点的可靠性成为研究热点[1-7]。Sn-Cu系因其成本较低、易生产、易回收、杂质敏感性低、综合力学性能较好等原因，在钎焊温度对元器件影响较低的波峰焊中已经得到广泛的应用，成为波峰焊工艺中最有希望替代Sn-Pb钎料的产品，并且在倒装焊中也得到了一定的应用[8-10]。

国内外对于Sn-Cu系无铅钎料的研究主要集中通过添加不同含量的微量元素来改善钎料的性能，从而提高钎料焊点的可靠性并延长其使用寿命[11]。葛进国等人[12]研究发现添加适量Ni颗粒使Sn-0.7Cu无铅钎料基体中的Cu6Sn5弥散分布。闫焉服等人[13]研究了Ag颗粒对Sn-0.7Cu钎料组织和性能的影响，Ag颗粒可以提高Sn-0.7Cu钎料合金的拉伸性能和钎焊接头的抗蠕变寿命。杨莉等人[14]研究了微量Al元素对Sn-0.7Cu无铅钎料组织和性能的影响，Al元素的添加可以提高Sn-0.7Cu无铅钎料的拉伸强度和抗蠕变性能。周许升等人[15]研究了时效时间对Sn-0.7Cu无铅钎料微观组织的影响，随着时效时间的增长，β-Sn初晶晶粒长大，Cu6Sn5金属间化合物颗粒数量减少、尺寸增大，并且颗粒间距增大。马超力等人[16]研究了Sn-0.7Cu无铅钎料微观组织及力学性能在时效过程中的演变，随着时效的进行，抗剪强度不断下降，可有效的提高Sn-Cu-Ni-xPr焊点的力学性能。

但是Sn-Cu系钎料熔点高，钎料组织中Cu6Sn5颗粒不稳定，在高温下容易长大，导致钎料的高温热疲劳性较差，对接头可靠性产生不利影响。文中研究不同温度下Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的微观组织、抗拉强度及拉伸断口的演变规律，为提高Sn-0.7Cu无铅钎料的可靠性研究提供理论支持。

1 试验材料及方法

钎料基体材料为Sn-0.7Cu无铅焊膏，增强相为粒径约为50 μm的Fe颗粒，基板材料为纯度约99.99%的紫铜片，其尺寸为25 mm×25 mm×0.2 mm。

采用机械混合法制备Sn-0.7Cu-0.05Fe复合钎料，在F4N型回流焊机进行钎焊接头的制备，回流最高温度为260 ℃。将Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头置于DHG-9140A鼓风干燥箱中分别进行不同温度(60 ℃,100 ℃,140 ℃,180 ℃)的时效处理，时效时间均为100 h。采用GX51型Olympus金相显微镜对时效后钎焊接头微观组织进行观察。采用PTR1102型强度结合测试仪测试钎焊接头拉伸强度，钎焊接头的拉伸尺寸为20 mm×1 mm×0.9 mm，拉伸速率为0.01 mm/s，测量三组数据取其平均值。再采用ISPECTS50型扫描电子显微镜观察拉伸断口形貌。

2 试验结果及分析

2.1 时效温度对钎焊接头微观组织的影响

Sn-0.7Cu及Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头微观组织在不同时效温度下保温100 h后的显微组织形貌分别如图1和图2所示。Sn-0.7Cu钎料基体由初生β-Sn相和分布于β-Sn相上的Cu6Sn5颗粒组成，随着时效温度升高，Cu6Sn5化合物不断粗化，由宽约2 μm、长约5～10 μm的针状逐渐演变为宽约8～10 μm、长约30～50 μm的棒状。这是因为钎料基体温度升高时，Sn，Cu及微量Fe原子热运动加剧，Sn和Cu原子倾向于在已形成的晶粒表面发生团聚并进一步长大。同一时效温度下，Sn-0.7Cu-0.05Fe钎料中金属化合物尺寸比Sn-0.7Cu细小，同时Sn-0.7Cu-0.05Fe钎料中β-Sn初晶的晶粒尺寸也相对较小，在180 ℃下时效100 h后，Cu6Sn5的形态演变为宽约10 μm、长约30 μm的棒状。这是因为Fe在β-Sn中的溶解度很低，大部分Fe以FeSn2相形式析出或者作为非自发形核质点，使金属间化合物和β-Sn初晶晶粒得到细化[17]。

图1 不同时效温度下Sn-0.7Cu钎焊接头组织形貌

图2 不同时效温度下Sn-0.7Cu-0.05Fe钎料基体组织形貌

2.2 时效温度对钎焊接头抗拉强度的影响

图3为在不同温度下等温时效100 h后的Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头抗拉强度。Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的抗拉强度随着时效温度增加均呈现下降趋势。室温时，抗拉强度分别为56 MPa和60 MPa，当时效温度升高至180 ℃时，抗拉强度分别降至37 MPa和41 MPa。随着时效时间的延长，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的Cu6Sn5均呈现粗化的趋势，且Cu6Sn5在钎料接头中的分布不均匀。脆硬相Cu6Sn5和钎料β-Sn的界面为性能薄弱区，在拉应力的作用下容易为裂纹提供形核基础，并沿着界面进行扩展而导致断裂。故Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的拉伸性能均随失效时间的延长而下降。相同时效温度下钎料Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的抗拉强度高于Sn-0.7Cu，这是因为添加的微量Fe起到了细化Cu6Sn5和钎料β-Sn的作用，使Cu6Sn5在钎料基体分布较为弥散，从而以硬质第二相的作用阻碍了拉伸过程中位错的运动，从而提高了Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的抗拉强度[18]。

2.3 时效温度对拉伸断口形貌的影响

图4和图5分别为Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头在不同温度下时效100 h后的拉伸断口形貌。当时效温度低于60 ℃时，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头断口主要呈现为韧窝，说明此状态下Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的断裂形式主要为塑性断裂。主要是因为Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头在低于60 ℃下时效100 h后，Cu6Sn5和钎料组织均较为细小且分布较为弥散。随着时效温度的增加，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头断口由韧窝和河流状解理花样组成，再演变成时效温度为180 ℃时的断口中主要为解理花样，说明此状态Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的断裂形式由塑性断裂和脆性断裂混合机制转变为脆性断裂机制。主要是由于随着时效温度的提高，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头中的Cu6Sn5和钎料组织均粗化，Cu6Sn5和钎料界面处形成的微裂纹在拉应力的作用下快速沿着界面方向长大而呈现撕裂状，从而在断口表面形成解理面[19]。

图3 时效温度对Sn-0.7Cu-xFe钎焊接头抗拉强度的影响规律

在相同的时效条件下，Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的韧窝较Sn-0.7Cu细小，且解理花样少。主要是因为Fe颗粒的添加细化的Cu6Sn5，降低了拉伸过程中的裂纹的形成趋势，且Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头中的Cu6Sn5分布较Sn-0.7Cu弥散，从而在拉伸过程中因阻碍位错运动形成的应力场分布更为均匀，从而体现出Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头的拉伸强度较高，断口的韧窝更多，焊点的塑性更好。故Fe颗粒的添加可以改善Sn-0.7Cu钎料合金钎焊接头的可靠性。

图4 不同时效温度下Sn-0.7Cu接头拉伸断口形貌

图5 不同时效温度下Sn-0.7Cu-0.05Fe接头拉伸断断口形貌

3 结 论

(1)随着时效温度的提高，Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎焊接头微观组织和Cu6Sn5化合物粗化，Cu6Sn5化合物由针状逐渐演变为棒状。Fe颗粒的添加可以抑制Sn-0.7Cu-xFe钎料中Cu6Sn5的粗化程度。

(2)Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎料钎焊接头的抗拉强度随着时效温度的升高逐渐降低，同时Sn-0.7Cu-0.05Fe接头的抗拉强度要高于Sn-0.7Cu。

(3)Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Fe钎料钎焊接头断口形貌主要由韧窝和河流解理花样组成，且随时效温度的升高钎料钎焊接头的断裂机制由塑性断裂逐渐转变为脆性断裂。Fe颗粒因抑制了Cu6Sn5的粗化而改善Sn-0.7Cu钎料合金接头的可靠性。

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TG407

2017-05-31

国家自然科学基金资助项目(项目编号：51401037，51505040)；江苏省科技厅工业支持项目(项目编号：BK20141228)。

宋兵兵，1992年出生，硕士研究生。主要研究方向为电子封装。

杨 莉，1966出生，博士，教授。主要从事材料加工及表面强化方面的教学和科研工作，已主持完成省部级以上项目10余项。