超聲對電子元件用低溫釬焊合金組織與性能的影響
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葉建美 劉慧敏 鄧麗霞
（1．浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院）
摘要 分別采用常規(guī)澆注和超聲振動輔助澆注制備了電子元件用低溫釬焊Sn-58Bi合金，并對其進(jìn)行了顯微組織、微區(qū)成分、可焊性以及不同溫度下力學(xué)性能的測試與分析。結(jié)果表明，超聲振動輔助澆注法可以顯著提高合金的力學(xué)性能和可焊性。與常規(guī)澆注相比，超聲振動輔助澆注可使合金在-40℃、25℃和150℃時(shí)抗拉強(qiáng)度分別提高70%、72%、80%，并使?jié)櫇駮r(shí)間減少43%、最大潤濕力增大36%。
關(guān)鍵詞 超聲振動；低溫釬焊；Sn-58 Bi合金；可焊性
電子產(chǎn)品小型化、集成化和多功能化的不斷發(fā)展，對電子元器件釬焊合金的要求越來越高。在環(huán)保法規(guī)要求不斷提高的今天，無鉛的低溫釬焊合金極具應(yīng)用市場。現(xiàn)有的主要低溫釬焊合金（Sn-5881合金）存在嚴(yán)重成分偏析、組織粗大、性能不夠理想等問題。研究者對低溫Sn-Bi釬焊合金內(nèi)部金屬間化合物生長機(jī)制、Bi含量和剪切力對Sn-Bi合金組織與性能影響規(guī)律等方面進(jìn)行了較多研究。超聲振動輔助熔煉是一種新型的熔煉方法。已有的研究表明，超聲振動有助于細(xì)化合金晶粒，改善合金組織，提高合金性能。但是，關(guān)于超聲振動在低溫釬焊合金制備中的應(yīng)用研究報(bào)道很少。為此，本課題采用超聲振動輔助澆注法，制備了電子元件低溫釬焊合金，并分析了超聲振動對電子元件低溫釬焊合金組織與性能的影響，為電子元件低溫釬焊合金的制備提供借鑒。
1 試驗(yàn)材料與方法
1.1試驗(yàn)材料
采用工業(yè)級純Sn、純Bi，在ZXK-2-25KW型中頻感應(yīng)熔煉爐中熔煉Sn-5881合金。試樣的化學(xué)成分采用Q8型直讀光譜儀進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。從表1可以看出，采用常規(guī)澆注和超聲振動輔助澆注兩種方法制備出的低溫釬焊Sn-5881合金的化學(xué)成分無明顯差異。
1.2試驗(yàn)方法
試樣經(jīng)打磨拋光后腐蝕，采用Mzto E9000型金相顯微鏡、EV018型掃描電鏡進(jìn)行顯微組織觀察，并用INCA 350型能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析。力學(xué)性能采用TC5000型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，測試溫度分別為-40、25、150。C，并用JSM-6510型掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。試樣的可焊性采用潤濕平衡法，參照J(rèn)IS-2-3198標(biāo)準(zhǔn)，在SP-2型可焊性測試儀上進(jìn)行測試，得到試樣的潤濕曲線。典型的潤濕曲線見圖1。圖1中A為試樣開始接觸液面準(zhǔn)備浸潤，B為試樣浸沒至底端尚待潤濕，C為試樣潤濕至過零，D為試樣的所有力達(dá)到大致平衡，E為試樣脫離液面結(jié)束測試。試驗(yàn)記錄試樣的潤濕（零交）時(shí)間和最大潤濕力，其中潤濕（零交）時(shí)間是指試樣潤濕至過零的時(shí)間，即圖1中從A到C所需的時(shí)間；最大潤濕力是指試樣達(dá)到大致平衡時(shí)測得的潤濕力，即圖1中D的縱坐標(biāo)數(shù)值。每種合金進(jìn)行5個(gè)試樣的平行測試，取其平均值作為可焊性測試結(jié)果。
2試驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1顯微組織
采用常規(guī)澆注和超聲振動輔助澆注方法，制備了電子元件低溫釬焊Sn-58Bi合金，其顯微組織見圖2，試樣的SEM見圖3。圖3中A、B、C和D4處的微區(qū)成分能譜分析見表2。可以看出，與常規(guī)澆注相比，超聲振動法制備的合金組織分布更為均勻，富Bi相明顯細(xì)化，合金的成分偏析得到有效抑制。采用常規(guī)澆注和超聲振動方法制備的合金試樣都是由B-Sn基體相和富Bi相組成。但是制備方法不同，試樣中的富Bi相形狀和分布也不同。采用常規(guī)澆注制備的合金試樣中富Bi相（見圖3中B處）以長條狀或不規(guī)則團(tuán)狀，不均勻地分布在BSn基體相（見圖3中A處）中，Bi元素的偏析較為嚴(yán)重。然而，采用超聲振動輔助澆注法制備的合金試樣中富Bi相（見圖3中D處）以較為細(xì)小的顆粒狀彌散分布在p-Sn基體相（見圖3中C'處）中，Bi的偏析得到明顯改善，組織更為均勻、細(xì)小。
2.2 力學(xué)性能
采用常規(guī)澆注和超聲振動方法制備的Sn-58B1合金，在-40、25、150℃環(huán)境下的力學(xué)性能見圖4。從圖4可以看出，與常規(guī)澆注相比，超聲振動制備的合金力學(xué)性能均得到明顯提高。其中，在-40 0C時(shí)抗拉強(qiáng)度從常規(guī)澆注的80 MPa增至136 MPa，提高了70%，斷面收縮率從25%增至40%，提高了60%，伸長率從20%增至33%，提高了65%；在25℃時(shí)抗拉強(qiáng)度提高72%、斷面收縮率提高50%、伸長率提高63%;在150℃時(shí)斷面收縮率從37%增至57%，提高了54%；伸長率從35%增至53%，提高了51%。由此可知，超聲振動顯著提高了Sn-58Bi合金的低溫、室溫和高溫力學(xué)性能。圖5是采用常規(guī)澆注和超聲振動制備的Sn-58Bi合金在25℃拉伸斷口形貌SEM。從圖5可以看出，常規(guī)澆注的試樣拉伸斷口由解離臺階和撕裂棱組成，表現(xiàn)出較為明顯的脆性斷裂特征；采用超聲振動制備出的合金試祥拉伸斷口則由韌窩和少量的解理臺階、撕裂棱組成，表現(xiàn)出較為明顯的韌性斷裂和脆性斷裂混合的斷裂特征，合金表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。
2.3可焊性
采用常規(guī)澆注和超聲振動制備的Sn-5881合金的可焊性結(jié)果見表3。從表3可以看出，與常規(guī)澆注相比，超聲振動制備的合金試樣的潤濕（零交）時(shí)間明顯縮短、最大潤濕力明顯增大，合金的可焊性得到顯著提高。其中，超聲振動制備的合金試樣的潤濕（零交）時(shí)間從0. 49 s減小至0.28 s，減少了43%；最大潤濕力從2.92mN增大至3.97 mN，增大了36%。由此可以看出，超聲振動顯著提高了Sn-58Bi合金的可焊性。因此，超聲振動不僅顯著提高了Sn-5881合金的低溫、室溫和高溫力學(xué)性能，而且明顯改善了合金的可焊性。
2.4討論與分析
與常規(guī)澆注相比，超聲振動使Sn-5881合金的低溫、室溫和高溫力學(xué)性能得到明顯提高。這主要是兩個(gè)方面的原因，一是在澆注過程中引入超聲，超聲振動產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng)使熔融合金產(chǎn)生宏觀和微觀紊流，使得合金在凝固過程中的內(nèi)部相對運(yùn)動次數(shù)增多，使粗大的晶粒得到破碎，從而達(dá)到細(xì)化晶粒作用，進(jìn)而通過細(xì)晶強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)合金力學(xué)性能的提高；二是超聲振動輔助澆注過程中，由于超聲振動產(chǎn)生的紊流加劇了熔融合金內(nèi)部的對流，使合金元素間的擴(kuò)散更為充分、均勻，使合金凝固后不同區(qū)域的化學(xué)成分更為均勻，從而顯著減輕合金的偏析，進(jìn)而明顯提高合金的力學(xué)性能。在實(shí)際的電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，可焊性是成良好焊點(diǎn)的先決條件。如果釬焊合金的可焊性不好，則直接影響焊點(diǎn)的可靠性。與常規(guī)澆注相比，超聲振動使Sn-5881合金的可焊性得到明顯提高。這主要是因?yàn)樵赟n-58Bi合金澆注過程中引入超聲振動，由此產(chǎn)生的生空化作用和聲流效應(yīng)，使合金澆注時(shí)的內(nèi)部相對運(yùn)動增加，并破碎粗大晶粒，從而生成更加細(xì)小的晶粒，一方面使得合金熔化區(qū)間變窄，有利于用較低的能量實(shí)現(xiàn)合金的潤濕鋪展；另一方面增加晶粒的表面積，使得組織內(nèi)部能量增加，從而使得合金體系內(nèi)能增高，使得合金只需要較低能量就可以使合金與焊盤實(shí)現(xiàn)有效的潤濕，獲得更可靠的焊點(diǎn)。
3 結(jié)論
(1)與常規(guī)澆注相比，超聲振動制備的Sn-5881合金組織分布更為均勻，富Bi相明顯細(xì)化，合金的成分偏析得到有效抑制，合金中的富Bi相從長條狀或不規(guī)則團(tuán)狀的不均勻分布變?yōu)榧?xì)小顆粒狀的彌散分布。
(2)與常規(guī)澆注相比，超聲振動法制備的Sn-5881合金在-40℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率、伸長率分別提高了70%、60%、65%;在25℃時(shí)分別提高了72%、50%和63%;在150。C時(shí)分別提高了80%、54%和51%；潤濕（零交）時(shí)間減少43%、最大潤濕力增大36%，合金的力學(xué)性能和可焊性得到明顯提高。
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