Cu和Zn元素的添加對(duì)SnBi無鉛焊料合金性能的影響.pdf

1、本文以Sn42Bi58、Sn59.9Bi40Cu0.1和Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1三種焊料合金為研究對(duì)象，通過采用差熱分析、微觀組織分析、熱導(dǎo)率測(cè)試、潤(rùn)濕鋪展率和潤(rùn)濕平衡實(shí)驗(yàn)、顯微硬度測(cè)試、拉伸實(shí)驗(yàn)及斷口形貌觀察，系統(tǒng)研究了Cu和Zn元素的添加對(duì)三種SnBi焊料合金熔化特性、微觀組織、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、潤(rùn)濕性能及力學(xué)性能的影響。最后對(duì)三種SnBi焊料合金/Cu焊接接頭進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，通過斷口形貌和界面微觀組織觀察分析，討論了三種焊

2、料合金焊接接頭的斷裂機(jī)理。全文的結(jié)論如下：
　　研究了Cu和Zn元素的添加對(duì)三種SnBi焊料合金熔化特性、微觀組織、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明：0.1％Cu元素的添加對(duì) SnBi焊料合金熔化開始溫度影響不大，但明顯降低了焊料合金熔化峰值溫度，并縮短糊狀區(qū)。Cu元素在SnBi焊料合金中形成Cu6Sn5金屬間化合物，細(xì)化了焊料合金中的富Bi相和β-Sn相。Zn元素的添加明顯降低了SnBi焊料合金熔化的開始溫度和峰值溫度，但是對(duì)糊狀

3、區(qū)的縮短作用不明顯。Zn元素在SnBiCu焊料合金中大部分以黑色針狀富Zn相的形式存在，小部分Zn元素在SnBiCu焊料合金中形成Cu5Zn8金屬間化合物，細(xì)化了焊料合金的微觀組織。另外，研究結(jié)果表明Sn59.9Bi40Cu0.1焊料合金的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率高于Sn42Bi58焊料合金，但低于Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金。這主要是由Bi含量降低引起的，因?yàn)锽i是半金屬元素，其熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都非常小。由于Zn元素在Sn57.9

4、Bi40Zn2Cu0.1焊料合金中主要以黑色針狀富Zn相形式存在，其熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率非常高，所以Zn元素的添加提高了Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。
　　研究了Cu和Zn元素的添加對(duì)三種SnBi焊料合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：Cu元素在SnBi焊料合金中形成的Cu6Sn5金屬間化合物，起細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，提高了SnBi焊料合金的抗拉強(qiáng)度、延展性和硬度。小部分Zn元素在SnBiCu焊料合金中形成的

5、Cu5Zn8金屬間化合物，其對(duì)焊料合金的強(qiáng)化機(jī)理與Cu元素相似。然而，大部分Zn元素形成的黑色針狀富Zn相割裂了延性基體β-Sn相，使SnBiCu焊料合金的延展性變差。拉伸曲線及斷口形貌分析結(jié)果顯示本論文研究的三種SnBi焊料合金拉伸試樣斷口均屬于準(zhǔn)解理斷口，斷裂均發(fā)生在富Bi相處。
　　研究了Cu和Zn元素的添加對(duì)三種SnBi焊料合金潤(rùn)濕性能的影響。結(jié)果表明：本論文研究的三種焊料合金潤(rùn)濕力比傳統(tǒng)的Sn63Pb37焊料合金小。焊接

6、溫度為250℃時(shí)，Sn63Pb37焊料合金在Cu基板上的潤(rùn)濕時(shí)間比本論文中研究的三種SnBi焊料合金長(zhǎng)，這是因?yàn)镾n63Pb37焊料合金的黏度較大，流動(dòng)性較差。另外，對(duì)于Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金，適量的R04松香能防止Zn元素在焊料合金表面形成氧化膜，降低焊料合金的表面能，從而提高Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金在Cu基板上的潤(rùn)濕性并縮短潤(rùn)濕時(shí)間。鋪展率實(shí)驗(yàn)表明Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1焊料合金

7、的潤(rùn)濕性能比Sn42Bi58和Sn59.9Bi40Cu0.1焊料合金的差，這是因?yàn)閆n元素的表面能大且易氧化，易在焊料合金的表面形成氧化膜，阻礙該焊料合金在銅基板上的潤(rùn)濕。
　　研究了三種SnBi/Cu焊接接頭的剪切性能。結(jié)果表明：三種SnBi/Cu焊接接頭幾乎都是在彈性變形之后即斷裂，焊接接頭中空洞引起的應(yīng)力集中以及 Cu6Sn5金屬間化合物與焊料基體之間的體積應(yīng)力是焊接接頭沿焊料/基板界面斷裂的主要原因。焊接接頭中的空洞還削弱

8、了焊接接頭的有效連接面積，從而降低焊接接頭的剪切強(qiáng)度，所以Sn57.9Bi40Zn2Cu0.1/Cu焊接接頭的剪切強(qiáng)度比Sn42Bi58/Cu和Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu焊接接頭的低。根據(jù)斷口形貌，Sn42Bi58/Cu和Sn57.9Bi40Zn2-Cu0.1/Cu焊接接頭剪切斷裂機(jī)制屬于準(zhǔn)解理和沿晶脆性斷裂的混合型斷裂，而Sn59.9Bi40Cu0.1/Cu焊接接頭剪切斷裂機(jī)制屬于準(zhǔn)解理斷裂。微觀組織分析顯示三種焊料合金焊接