超声对电子元件用低温钎焊合金组织与性能的影响

 叶建美  刘慧敏  邓丽霞

（1．浙江工业职业技术学院；2.河北化工医药职业技术学院）

摘要  分别采用常规浇注和超声振动辅助浇注制备了电子元件用低温钎焊Sn-58Bi合金，并对其进行了显微组织、微区成分、可焊性以及不同温度下力学性能的测试与分析。结果表明，超声振动辅助浇注法可以显著提高合金的力学性能和可焊性。与常规浇注相比，超声振动辅助浇注可使合金在-40℃、25℃和150℃时抗拉强度分别提高70%、72%、80%，并使润湿时间减少43%、最大润湿力增大36%。

关键词  超声振动；低温钎焊；Sn-58 Bi合金；可焊性

 电子产品小型化、集成化和多功能化的不断发展，对电子元器件钎焊合金的要求越来越高。在环保法规要求不断提高的今天，无铅的低温钎焊合金极具应用市场。现有的主要低温钎焊合金（Sn-5881合金）存在严重成分偏析、组织粗大、性能不够理想等问题。研究者对低温Sn-Bi钎焊合金内部金属间化合物生长机制、Bi含量和剪切力对Sn-Bi合金组织与性能影响规律等方面进行了较多研究。超声振动辅助熔炼是一种新型的熔炼方法。已有的研究表明，超声振动有助于细化合金晶粒，改善合金组织，提高合金性能。但是，关于超声振动在低温钎焊合金制备中的应用研究报道很少。为此，本课题采用超声振动辅助浇注法，制备了电子元件低温钎焊合金，并分析了超声振动对电子元件低温钎焊合金组织与性能的影响，为电子元件低温钎焊合金的制备提供借鉴。

1  试验材料与方法

1.1试验材料

采用工业级纯Sn、纯Bi，在ZXK-2-25KW型中频感应熔炼炉中熔炼Sn-5881合金。试样的化学成分采用Q8型直读光谱仪进行分析，结果见表1。从表1可以看出，采用常规浇注和超声振动辅助浇注两种方法制备出的低温钎焊Sn-5881合金的化学成分无明显差异。

1.2试验方法

试样经打磨抛光后腐蚀，采用Mzto E9000型金相显微镜、EV018型扫描电镜进行显微组织观察，并用INCA 350型能谱仪进行微区成分分析。力学性能采用TC5000型电子万能试验机进行测试，测试温度分别为-40、25、150。C，并用JSM-6510型扫描电镜观察拉伸断口形貌。试样的可焊性采用润湿平衡法，参照JIS-2-3198标准，在SP-2型可焊性测试仪上进行测试，得到试样的润湿曲线。典型的润湿曲线见图1。图1中A为试样开始接触液面准备浸润，B为试样浸没至底端尚待润湿，C为试样润湿至过零，D为试样的所有力达到大致平衡，E为试样脱离液面结束测试。试验记录试样的润湿（零交）时间和最大润湿力，其中润湿（零交）时间是指试样润湿至过零的时间，即图1中从A到C所需的时间；最大润湿力是指试样达到大致平衡时测得的润湿力，即图1中D的纵坐标数值。每种合金进行5个试样的平行测试，取其平均值作为可焊性测试结果。

2试验结果及讨论

2.1显微组织

采用常规浇注和超声振动辅助浇注方法，制备了电子元件低温钎焊Sn-58Bi合金，其显微组织见图2，试样的SEM见图3。图3中A、B、C和D4处的微区成分能谱分析见表2。可以看出，与常规浇注相比，超声振动法制备的合金组织分布更为均匀，富Bi相明显细化，合金的成分偏析得到有效抑制。采用常规浇注和超声振动方法制备的合金试样都是由B-Sn基体相和富Bi相组成。但是制备方法不同，试样中的富Bi相形状和分布也不同。采用常规浇注制备的合金试样中富Bi相（见图3中B处）以长条状或不规则团状，不均匀地分布在BSn基体相（见图3中A处）中，Bi元素的偏析较为严重。然而，采用超声振动辅助浇注法制备的合金试样中富Bi相（见图3中D处）以较为细小的颗粒状弥散分布在p-Sn基体相（见图3中C'处）中，Bi的偏析得到明显改善，组织更为均匀、细小。

2.2  力学性能

采用常规浇注和超声振动方法制备的Sn-58B1合金，在-40、25、150℃环境下的力学性能见图4。从图4可以看出，与常规浇注相比，超声振动制备的合金力学性能均得到明显提高。其中，在-40 0C时抗拉强度从常规浇注的80 MPa增至136 MPa，提高了70%，断面收缩率从25%增至40%，提高了60%，伸长率从20%增至33%，提高了65%；在25℃时抗拉强度提高72%、断面收缩率提高50%、伸长率提高63%;在150℃时断面收缩率从37%增至57%，提高了54%；伸长率从35%增至53%，提高了51%。由此可知，超声振动显著提高了Sn-58Bi合金的低温、室温和高温力学性能。图5是采用常规浇注和超声振动制备的Sn-58Bi合金在25℃拉伸断口形貌SEM。从图5可以看出，常规浇注的试样拉伸断口由解离台阶和撕裂棱组成，表现出较为明显的脆性断裂特征；采用超声振动制备出的合金试祥拉伸断口则由韧窝和少量的解理台阶、撕裂棱组成，表现出较为明显的韧性断裂和脆性断裂混合的断裂特征，合金表现出更好的力学性能。

2.3可焊性

采用常规浇注和超声振动制备的Sn-5881合金的可焊性结果见表3。从表3可以看出，与常规浇注相比，超声振动制备的合金试样的润湿（零交）时间明显缩短、最大润湿力明显增大，合金的可焊性得到显著提高。其中，超声振动制备的合金试样的润湿（零交）时间从0. 49 s减小至0.28 s，减少了43%；最大润湿力从2.92mN增大至3.97 mN，增大了36%。由此可以看出，超声振动显著提高了Sn-58Bi合金的可焊性。因此，超声振动不仅显著提高了Sn-5881合金的低温、室温和高温力学性能，而且明显改善了合金的可焊性。

2.4讨论与分析

 与常规浇注相比，超声振动使Sn-5881合金的低温、室温和高温力学性能得到明显提高。这主要是两个方面的原因，一是在浇注过程中引入超声，超声振动产生的声空化和声流效应使熔融合金产生宏观和微观紊流，使得合金在凝固过程中的内部相对运动次数增多，使粗大的晶粒得到破碎，从而达到细化晶粒作用，进而通过细晶强化，实现合金力学性能的提高；二是超声振动辅助浇注过程中，由于超声振动产生的紊流加剧了熔融合金内部的对流，使合金元素间的扩散更为充分、均匀，使合金凝固后不同区域的化学成分更为均匀，从而显著减轻合金的偏析，进而明显提高合金的力学性能。在实际的电子产品生产过程中，可焊性是成良好焊点的先决条件。如果钎焊合金的可焊性不好，则直接影响焊点的可靠性。与常规浇注相比，超声振动使Sn-5881合金的可焊性得到明显提高。这主要是因为在Sn-58Bi合金浇注过程中引入超声振动，由此产生的生空化作用和声流效应，使合金浇注时的内部相对运动增加，并破碎粗大晶粒，从而生成更加细小的晶粒，一方面使得合金熔化区间变窄，有利于用较低的能量实现合金的润湿铺展；另一方面增加晶粒的表面积，使得组织内部能量增加，从而使得合金体系内能增高，使得合金只需要较低能量就可以使合金与焊盘实现有效的润湿，获得更可靠的焊点。

3  结论

 (1)与常规浇注相比，超声振动制备的Sn-5881合金组织分布更为均匀，富Bi相明显细化，合金的成分偏析得到有效抑制，合金中的富Bi相从长条状或不规则团状的不均匀分布变为细小颗粒状的弥散分布。

 (2)与常规浇注相比，超声振动法制备的Sn-5881合金在-40℃时，抗拉强度、断面收缩率、伸长率分别提高了70%、60%、65%;在25℃时分别提高了72%、50%和63%;在150。C时分别提高了80%、54%和51%；润湿（零交）时间减少43%、最大润湿力增大36%，合金的力学性能和可焊性得到明显提高。