Sn-Ag-Cu钎料的制备与显微组织性能研究

柳 砚

(安徽机电职业技术学院机械工程学院,安徽 芜湖 241000)

钎料的种类十分广泛。综合分析其实用性和各种性能,应用广泛的钎料还是Sn-Pb共晶钎料。铅元素对人体的伤害及对土壤、水源的污染是很严重的[1]。在各种代替Sn-Pb钎料的无铅钎料中,Sn-Ag-Cu系由于良好的物理特性和稳定的力学性能成为代替传统Sn-Pb钎料的首选[2],一般同种钎料处于共晶成分,各种性能要优于非处于共晶成分,由于Sn-Ag-Cu系凝固机制很复杂,何种成分才是共晶成分,至今仍不能确定[3]。银为贵金属,地壳中银的储存量不是很丰富,含银钎料的成本太高,不能得到广泛的应用,所以开发低银钎料刻不容缓。目前,低银钎料研究主要是在钎料中加入稀有金属[4]。在低银钎料中添加适量Ni、Mn、Ti、Ce、Bi等元素可以有效提高钎料的力学性能[5-7]。银含量对复合钎料组织与焊接力学性能有显著影响[8-9],然而这些钎料合金的银含量依然较高[10],对低银的作用的研究报道比较少,还需要更深入和广泛的研究。本文以Sn-Ag-Cu系钎料为研究对象,通过制备四组不同银含量的Sn-Ag-Cu钎料,探究钎料合金的熔化特性、显微组织结构,分析低银无铅钎料的力学特性与在紫铜基体上的润湿特性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Sn-Ag-Cu无铅钎料合金所采用的原材料为:高纯度的Sn粒(99.5%)、Ag颗粒(99.95%)和无氧纯Cu丝(99.95%),均购于北京迈瑞达科技有限公司;氯化钾、氯化锂、硝酸、乙醇等均为分析纯,均购于国药集团试剂有限公司;抛光液、砂纸(200～3000目)购于广东金相检测技术有限公司。紫铜板尺寸为50 mm×50 mm×5 mm,水洗钎剂均为当地市售。

JA5003N型分析天平(上海精密科学仪器有限公司);VBF-1200X型高温方体双层结构井式炉(沈阳科晶自动化设备有限公司);DSC-Q20型差示扫描热量仪(美国TA仪器公司);SF-388型拉伸试验机(上海荣计达仪器科技有限公司);4XCE型金相显微镜(上海蔡康光学仪器有限公司);Must System III型可焊性测试仪(英国Multicore公司);MP-2型金相抛光机(宁波永汇仪器科技有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 钎料组成及配比

为比较四种不同的低银钎料:Sn-0.7Cu(A1),Sn-0.3Ag-0.7Cu(A2),Sn-0.5Ag-0.7Cu(A3),Sn-1.0Ag-0.7Cu(A4)的显微组织及其性能,各种钎料的质量配比如表1所示。

表1 四组钎料各元素的质量配比

1.2.2 钎料合金的制备

(1)钎料的熔炼

钎料制备原料用锡丝、银粒和无氧铜丝。熔炼时,首先将共晶盐氯化钾和氯化锂按1.3∶1的质量比放在陶瓷坩埚锡炉中加热至融化,将配比如表1所示的锡、银、铜依次加入熔盐中,钎料熔炼的温度约400～405 ℃,保温3 h并每隔30 min搅拌一次,至形成熔浆。

(2)浇铸成型

将熔浆浇铸到拉伸模具中,尺寸如图1所示,得到钎料的合金条。浇铸时用钳子把坩埚小心夹出,放在石棉网上,用勺子快速把坩埚里浮在钎料溶液上面的共晶盐液体清除,熔炼后浇铸成型钎料拉伸棒。

图1 模具的尺寸标注

1.2.3 钎料合金的性能

(1)DSC曲线的测定

采用DSC-Q20型差示扫描热量仪分别测定Sn-0.7Cu,Sn-0.3Ag-0.7Cu,Sn-0.5Ag-0.7Cu,Sn-1.0Ag-0.7Cu四种钎料合金随温度变化的DSC曲线。

(2)拉伸实验

将浇铸成型的钎料棒置于拉伸试验机上,进行拉伸实验。实验温度为室温,拉伸速率为3 mm/min,设置三次平行实验,取平均值。

(3)显微组织的测定

以拉伸实验后的钎料作为测试对象,首先采用500号的金相砂纸进行粗磨,然后依次用800号、1000号,1200号、1500号、2000号砂纸进行细磨,使用0.25 μm的氧化铝抛光膏进行抛光,最后利用4%硝酸+96%酒精溶液(体积分数)进行腐蚀处理,吹干后在金相显微镜下进行观察。

(4)润湿特性的测定

根据国家标准《钎料润湿性试验方法》(GB/T 11364—2008)测定各组钎料在紫铜板上的润湿特性[11],包括润湿角和铺展面积的测定。

2 结果分析

2.1 钎料合金的DSC曲线

四种钎料合金的DSC曲线如图2所示。根据图2四种钎料合金的DSC曲线,可以得到四种钎料合金的熔化温度,如表2所示。随着银质量分数的增加,钎料的熔化温度逐渐减小,即液相温度逐渐降低,熔化区温度(熔程)缩短与前人研究报道的结果一致,同时本文制备的低银钎料较报道的高银钎料的熔程更长[8],不仅降低钎料的成本,而且为焊接过程提供更好的塑形便利条件,利于调整洛铁钎焊焊接过程的焊点。

a.Sn-0.7Cu;b.Sn-0.3Ag-0.7Cu;c.Sn-0.5Ag-0.7Cu;d.Sn-1.0Ag-0.7Cu

表2 四种钎料合金的熔化温度

2.2 钎料合金的拉伸性能

图3为各组钎料的拉伸测试结果。未添加Ag的Sn-0.7Cu钎料(A1)的抗拉强度为38.5 MPa,随着Ag质量分数的增加钎料的抗拉强度逐渐增大。当钎料中Ag的质量分数为1.0%(A4)时,钎料的抗拉强度达到47.4 MPa,说明Ag的添加提高了钎料的拉伸性能。

图3 各组钎料的抗拉强度

2.3 钎料合金的显微组织

图4分别为Sn-0.7Cu,Sn-0.3Ag-0.7Cu,Sn-0.5Ag-0.7Cu,Sn-1.0Ag-0.7Cu四组钎料的显微组织图。

(a) Sn-0.7Cu钎料

图4(a)是只有Cu与Sn的钎料,可以明显看到很多白色区域,这些明显的白色区域是β-Sn相,黑色区域为Cu与Sn形成的共晶组织Cu6Sn5,这种共晶组织Cu6Sn5与β-Sn(白色)相构成了网状结构。图4(b)和图4(c)金相组织比较相似,因为在Sn-0.7Cu钎料中加入了少量的Ag。图4(b)中Sn-0.3Ag-0.7Cu的晶粒比图4(c)的Sn-0.5Ag-0.7Cu要大,可能是因为在Sn-Ag-Cu合金中,Ag和Cu几乎不能溶于β-Sn,Cu与Sn形成的共晶组织以片状结构存在于合金当中,Ag则与Sn形成微细共晶体,所以图4(b)比图4(c)的晶粒要粗大一些。图4(d)和图4(a)的晶粒微观形貌相似,可能是由于Ag的质量分数增大到一定情况后与Sn形成了粗大的共晶组织,而这种组织与Cu-Sn形成的组织相混在一起很难区分。所以无Ag的钎料和含银1.0%的Sn-Ag-Cu钎料组织比较相似。

低银钎料的晶粒相对比高银钎料的要细小,排列更紧密。随着银质量分数的增加钎料中形成的金属间化合物(Ag3Sn和Cu6Sn5)含量也增加。而无银钎料中黑色的(Cu6Sn5)初晶也非常多。加入少量的Ag对Sn-0.7Cu钎料的显微组织的影响是十分显著的,银在钎料中和Sn形成Ag3Sn的化合物。随着银质量分数的逐渐增加这种化合物也越来越多,其晶粒也越来越粗大。

2.4 钎料对紫铜的润湿特性

图5为各组钎料合金在紫铜基体上的铺展面积与润湿角曲线。由图5可知,随着Ag的质量分数的增加,钎料合金的铺展面积逐渐增大,而润湿角逐渐减小。主要是因为Ag的加入使得Sn-Cu原子之间的相互作用增强,钎料在Cu基板上的铺展面积增大。当Ag的质量分数为1.0%时,钎料的铺展面积为39.9 mm2,润湿角为5.01°,比高银含量的Sn-Ag-Cu钎料的润湿角更小[10],适合精密电路板的焊接。

图5 润湿特性测试结果

3 结语

通过对低银钎料的制备和对几组钎料DSC曲线分析,发现添加银可以改变钎料的熔化温度,但是增加银的质量分数对熔化温度的影响不是很明显。由钎料的DSC曲线分析可知,虽然少量的银可以使钎料的熔化温度降低,但是加入少量的银可以使低银钎料的液相温度和固相温度的差值变大,说明少量的银可以影响钎料固相温度和液相温度。通过与高银钎料显微组织对比分析可知,随着银的质量分数的增加,钎料组织中晶粒也会慢慢变得粗大,成分也会发生变化生成黑色的Cu6Sn5物质就会越来越多,使得黑色网状的成分与白色的β-Sn相结合得更紧密。