Sn_4_8Bi_0_7Cu无铅焊料的压入蠕变行为
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图 2 Sn-4 8B -i 0 7Cu 无铅焊料的压入蠕变曲线
由图 2可知, 压头压入的位移量随着温度的升 高和应力的增加而增大, 焊料的蠕变趋 势很明显。 就每一个图, 即在相同温度下, 压力越大, 压入位移 量也越大, 蠕变也越快。分别比较 4个图的相同应 力情况, 压入位移量 也随着温度的 升高而增大。 4 个图中, 蠕变第一阶段的蠕变量较小, 蠕变曲线的特 征不明显, 而稳态蠕变阶段曲线特征明显, 压入位移 量与压入时间基本呈线性关系。由于随着压入位移 的增加, 压头受到的阻力增加, 与压头端面接触的表 面受到的应力减小, 曲线上无拉蠕变所表现的第三 阶段。在较低温度和低应力时 ( 如图 2( a)、( b) ) 蠕
Sn-B i无铅焊料因其熔点低, 是一 种具有潜力 的无铅焊料。低熔点在钎焊中有很大优势, 特别 适用于不具有 高温性 能的电 子元 件和 电路板 [ 4] 。
焊料及焊点的蠕变性能对产品可靠性 有着重要的 影响。本文对 Sn-4 8B -i 0 7Cu无铅焊料的压入蠕 变行为进行研究, 得到其 应力指 数、蠕变 激活 能、 材料结构常数, 以及蠕变本构方程, 并讨论其压入
常数; 是应力; n 是应力指数; Q 是表观蠕变激活
第 2期
曾 明 等: Sn-4. 8B-i 0. 7Cu 无铅焊料的压入蠕变行为
71
能; R 是气体常数; T 是绝对温度。
通过对式 ( 1) 进行变换, 可知: ln 和 ln 成直
线关系, 斜率为应力指数 n;
ln
和
1 T
成直线关系,
斜率为-Q /RT。
收稿日期: 2010-01-26 基金项目: 四川省教育厅重点培育项目 ( 07ZZ033) ; 西华大学材料加工工程省级重点学科基金支持 作者简介: 曾 明 ( 1965-) , 男, 四川成都人, 教授, 主要研究方向为新材料及成型技术研究。
70
西华大学学报 自然科学版
2010年
图 1 压入蠕变装置示意图
表 1 Sn-4 8B -i 0 7Cu无铅焊料的稳态压入蠕变速率
温度 /
应力 /M Pa
稳态蠕变速率 / ( mm s- 1 )
10 15 40 20 25
7 4 10- 7 1 6 10- 6
3 10- 6 6 10- 6
10 15 60 20 25
1 3 10- 6 5 10- 6
8 9 10- 6 1 8 10- 5
蠕变机制。
1 试样制备与试验方法
采用纯 Sn、B i、Cu ( 纯度分别为 99 99% ) 熔制 Sn-4 8B -i 0 7Cu无铅焊料合金。合金的熔炼采用刚 玉坩埚在电阻炉中进行, 用盐类覆盖剂保护。熔炼 完成后于 300 左右将合金浇注到金属模具中获得
18mm 的试棒, 加工成尺寸 为 16mm 10mm 的 试样。将试样端面打磨抛光, 置于如图 1所示的自 制装置上 进 行压 入蠕 变试 验。试验 应 力为 10 ~ 25M Pa、温度为 40~ 115 。
变曲线不光滑, 有点小锯齿状, 有一定的波动, 这是 因为试验温度和应力较低蠕变较慢, 但总体线型符 合蠕变曲线的一 般规律。在较 高温及较高压 力下 ( 如图 ( c)、( d) ) 时蠕变曲线光滑, 说明压入蠕变受 温度和压力的影响很大。 2 2 稳态压入蠕变速率
根据经典蠕变曲线, 最具实际应用的是稳态蠕 变阶段, 因此分别取曲线的第二阶段即稳态蠕变阶 段的斜率 ( 程序自 动算出 ), 得到稳态 压入蠕变 速 率, 如表 1所示。
得了稳态蠕变的本构方 程, 分析了蠕变前后的显微 组织变化, 探讨了 其蠕变机制 。结果表 明: Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅
焊料蠕变中的应力指数 n为 3 0, 蠕变激活能 Q 为 45kJ/m o,l 材料结构常数 A 为 6 3 10-9, 稳态蠕变本构方程为: '
= 6 3 10- 9 3 0 exp( - 4 5 104 /RT )。焊料合金的蠕变量随着温度 的升高和应 力的增加 而加快增大。 蠕变前焊
活能 Q 如表 2所示。
活能接近, 抗蠕变性能与 -Sn相比明显提高。 按照所给定的温度和应力, 焊料的压入蠕变速
率的变化可以表示成 In 和 [ n ln -Q /RT ] 的关系, 如图 5 所 示。可 以 推 出 A = 6 3 10- 9。 故: Sn4 8B -i 0 7Cu无铅焊料的稳态压入蠕变速率本构方 程为: '= 6 3 10- 9 3 0 exp( - 4 5 104 /RT )
温度 / 40 60 85 115
应力指数 n 应力 /M Pa 蠕变激活能 Q / ( kJ mo l- 1 )
23
10
35
27
15
41
34
20
50
35
25
51
由表 2得出平均应力指数 n 约为 3 0, 平均蠕 变激活能 Q 约为 45 kJ mo l- 1, 与 -Sn的应力指数 和蠕变激 活 能 相 比 [ 8] ( T < TTrans 时, n = 6 5, Q =
49 kJ m ol- 1 ), 应力指数有 较大的降低, 而蠕变激
图 6 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊料的 XRD 谱
3 2 压入蠕变前后的组织分析 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊料压入蠕变前后的光学
Abstrac t: T he indentation creep property of Sn-4. 8B -i 0. 7Cu lead- free so lder at 40~ 115 and 10~ 25M P a w as tested. T he constitutive equation was ob tained. Changes o f the m icro-structure and o rganiza tion be fore creep and after creep, and the creep m echan ism s we re ana ly zed. T he results show that the stress exponen t n is 3. 0, creep activation energy Q is 45kJ/m o,l and the ma teria l struc-
在同一温度下, 作稳态蠕变速率 与应力 对
数曲线, 如图 3 所示。由该图看出在四个温度下
ln 与 ln 间有较好的线 性关系, 由各 条直线的斜
率得到应力指数 n。在一定应力下, 作稳态速率 的
对数与温度的倒数
(
1 T
)关系图,
如图
4
所示,
可以
看出 In
与
1也有较好的 T
线性
关系,
由各条直线的
斜率可以得到蠕变激活能 Q。应力指数 n与蠕变激
第 29卷第 2 期 V o l 29, N o 2
西华 大 学学 报 ( 自 然 科学 版 ) Journa l o f X ihua Un iversity N atural Sc ience
文章编号: 1673-159X ( 2010) -04
2010年 3月 M ar. 2010
2 试验结果与分析
2 1 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊料的压入蠕变曲线 试验结果如 图 2 所示。为 Sn-4 8B -i 0 7Cu 合
金焊料在应力为 10 ~ 25MP a, 温度为 40~ 115 时 的压入蠕变曲线。试验时 采取每 10s采 集一个数 据, 横坐标为压入蠕变时间, 纵坐标为压头压入的位 移量。
图 5 ln 和' ( n ln -Q /RT ) 的关系
3 讨论
3 1 相组成分析 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊料的 XRD 图谱见图 6。
由图 6分析可知, 焊料主要是由 Sn、Cu6 Sn5、B i三相 组成。
图 3 压入应力与稳态蠕变速率的关系
图 4 温度与稳态蠕变速率的关系
表 2 Sn-4 8B -i 0 7Cu 无铅焊料的应力指数和蠕变激活能
tu re constant A is 6 3 10-9. The constitu tive equation o f the indentation creep steady-state creep rate '= 6 3 10- 9 3 0 exp(-4 5
104 /RT ). The creep deform ation of so lder increases acce lerate ly w ith the increase in tem pera ture and stress. T he ash ine m assive phase B i and sm a ll flake Cu6 Sn5 ( IM C) are prec ip itated be fo re creep. T he m atr ix Sn is streng thened by anew d isso lv ing phase B i and d ispersive distr ibution o f Cu6 Sn5 ( IM C) afte r creep, wh ich improves the creep resistance o f Sn-4 8B -i 0 7Cu so lder.
Sn-4 8B i-0 7Cu无铅焊料的压入蠕变行为
曾 明, 胡 丽, 张业明, 刘新刚, 刘家麟
( 西华大学材料科学与工程学院, 四川 成都 610039)
摘 要: 研究了 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊 料在温度为 40~ 115 , 应 力为 10~ 25M P a条件下 的压入蠕变性能, 获
K ey word s: lead- free solder Sn-4 8B-i 0 7Cu; indentation creep; constitutive- equation; m icrostruc ture
S n-Pb 焊料 是电 子 装 联中 应 用 最广 泛 的 软 钎焊 材料, 但 Pb 有毒, 严重危 害人类及环境, 寻找替代 传统 Sn-Pb焊料的无 铅环保焊料 是亟待 解决的问 题 [ 1-3] 。
10 15 85 20 25
3 6 10- 6 1 10- 5
3 6 10- 5 8 10- 5
10 15 115 20 25
9 7 10- 6 3 4 10- 5
1 10- 4 2 3 10- 4
从表 1可清楚地看出, 稳态压入蠕变速率随着
温度的升高和应力的增大而加快。在相同温度下, 试验应力 越大, 稳 态压入 蠕变 速率 越大。温度 在
文献标识码: A
Indentation C reep Behavior of Sn-4. 8B i-0. 7Cu L ead-free Solder
ZENG M ing, HU L ,i ZHANG Y e-m ing, L IU X in-gang, L IU Jia- lin
( School of M aterials S cience and E ngineer ing, X ihua Un iver sity, Chengdu 610039 Ch ina)
根据压入位移量变化得到的结论一致。
2 3 稳态压入蠕变本构方程
蠕变研究中, 一般用稳态蠕变速率来表征材料
的蠕变性能, 它与材 料的特征、外部载荷和温 度有
关。高温稳 态 蠕 变速 率 可 以 用 以 下关 系 式 来 表 示 [ 5-7] :
=A
n exp
-Q RT
( 1)
其中, A 是与温度、应力和材料特征有关的结构
115 时, 25M P a下的稳态蠕变速率 约为 10M Pa 时
的 24倍。在相同应力下, 随着试验温度的升高, 稳 态蠕 变 速 率 也 呈 加 快 趋 势。 应 力 为 25M P a 时,
115 时的蠕变速率是 40 时的约 40 倍。这 同样
说明了压入蠕变受温度和压力的影响很大, 和前面
料显微组织中有亮块状 B i相、短片状 Cu6 Sn5 金属间化合物; 蠕变后 B i相重 新固溶到 Sn基 体, Cu6 Sn5 金属 间化合 物弥散分布于基体中, 提高了焊料的抗蠕变性能。
关键词: Sn-4. 8B -i 0. 7Cu无铅焊料; 压入蠕变; 本构方程; 显微组织
中图分类号: TG132 3
由图 2可知, 压头压入的位移量随着温度的升 高和应力的增加而增大, 焊料的蠕变趋 势很明显。 就每一个图, 即在相同温度下, 压力越大, 压入位移 量也越大, 蠕变也越快。分别比较 4个图的相同应 力情况, 压入位移量 也随着温度的 升高而增大。 4 个图中, 蠕变第一阶段的蠕变量较小, 蠕变曲线的特 征不明显, 而稳态蠕变阶段曲线特征明显, 压入位移 量与压入时间基本呈线性关系。由于随着压入位移 的增加, 压头受到的阻力增加, 与压头端面接触的表 面受到的应力减小, 曲线上无拉蠕变所表现的第三 阶段。在较低温度和低应力时 ( 如图 2( a)、( b) ) 蠕
Sn-B i无铅焊料因其熔点低, 是一 种具有潜力 的无铅焊料。低熔点在钎焊中有很大优势, 特别 适用于不具有 高温性 能的电 子元 件和 电路板 [ 4] 。
焊料及焊点的蠕变性能对产品可靠性 有着重要的 影响。本文对 Sn-4 8B -i 0 7Cu无铅焊料的压入蠕 变行为进行研究, 得到其 应力指 数、蠕变 激活 能、 材料结构常数, 以及蠕变本构方程, 并讨论其压入
常数; 是应力; n 是应力指数; Q 是表观蠕变激活
第 2期
曾 明 等: Sn-4. 8B-i 0. 7Cu 无铅焊料的压入蠕变行为
71
能; R 是气体常数; T 是绝对温度。
通过对式 ( 1) 进行变换, 可知: ln 和 ln 成直
线关系, 斜率为应力指数 n;
ln
和
1 T
成直线关系,
斜率为-Q /RT。
收稿日期: 2010-01-26 基金项目: 四川省教育厅重点培育项目 ( 07ZZ033) ; 西华大学材料加工工程省级重点学科基金支持 作者简介: 曾 明 ( 1965-) , 男, 四川成都人, 教授, 主要研究方向为新材料及成型技术研究。
70
西华大学学报 自然科学版
2010年
图 1 压入蠕变装置示意图
表 1 Sn-4 8B -i 0 7Cu无铅焊料的稳态压入蠕变速率
温度 /
应力 /M Pa
稳态蠕变速率 / ( mm s- 1 )
10 15 40 20 25
7 4 10- 7 1 6 10- 6
3 10- 6 6 10- 6
10 15 60 20 25
1 3 10- 6 5 10- 6
8 9 10- 6 1 8 10- 5
蠕变机制。
1 试样制备与试验方法
采用纯 Sn、B i、Cu ( 纯度分别为 99 99% ) 熔制 Sn-4 8B -i 0 7Cu无铅焊料合金。合金的熔炼采用刚 玉坩埚在电阻炉中进行, 用盐类覆盖剂保护。熔炼 完成后于 300 左右将合金浇注到金属模具中获得
18mm 的试棒, 加工成尺寸 为 16mm 10mm 的 试样。将试样端面打磨抛光, 置于如图 1所示的自 制装置上 进 行压 入蠕 变试 验。试验 应 力为 10 ~ 25M Pa、温度为 40~ 115 。
变曲线不光滑, 有点小锯齿状, 有一定的波动, 这是 因为试验温度和应力较低蠕变较慢, 但总体线型符 合蠕变曲线的一 般规律。在较 高温及较高压 力下 ( 如图 ( c)、( d) ) 时蠕变曲线光滑, 说明压入蠕变受 温度和压力的影响很大。 2 2 稳态压入蠕变速率
根据经典蠕变曲线, 最具实际应用的是稳态蠕 变阶段, 因此分别取曲线的第二阶段即稳态蠕变阶 段的斜率 ( 程序自 动算出 ), 得到稳态 压入蠕变 速 率, 如表 1所示。
得了稳态蠕变的本构方 程, 分析了蠕变前后的显微 组织变化, 探讨了 其蠕变机制 。结果表 明: Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅
焊料蠕变中的应力指数 n为 3 0, 蠕变激活能 Q 为 45kJ/m o,l 材料结构常数 A 为 6 3 10-9, 稳态蠕变本构方程为: '
= 6 3 10- 9 3 0 exp( - 4 5 104 /RT )。焊料合金的蠕变量随着温度 的升高和应 力的增加 而加快增大。 蠕变前焊
活能 Q 如表 2所示。
活能接近, 抗蠕变性能与 -Sn相比明显提高。 按照所给定的温度和应力, 焊料的压入蠕变速
率的变化可以表示成 In 和 [ n ln -Q /RT ] 的关系, 如图 5 所 示。可 以 推 出 A = 6 3 10- 9。 故: Sn4 8B -i 0 7Cu无铅焊料的稳态压入蠕变速率本构方 程为: '= 6 3 10- 9 3 0 exp( - 4 5 104 /RT )
温度 / 40 60 85 115
应力指数 n 应力 /M Pa 蠕变激活能 Q / ( kJ mo l- 1 )
23
10
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27
15
41
34
20
50
35
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51
由表 2得出平均应力指数 n 约为 3 0, 平均蠕 变激活能 Q 约为 45 kJ mo l- 1, 与 -Sn的应力指数 和蠕变激 活 能 相 比 [ 8] ( T < TTrans 时, n = 6 5, Q =
49 kJ m ol- 1 ), 应力指数有 较大的降低, 而蠕变激
图 6 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊料的 XRD 谱
3 2 压入蠕变前后的组织分析 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊料压入蠕变前后的光学
Abstrac t: T he indentation creep property of Sn-4. 8B -i 0. 7Cu lead- free so lder at 40~ 115 and 10~ 25M P a w as tested. T he constitutive equation was ob tained. Changes o f the m icro-structure and o rganiza tion be fore creep and after creep, and the creep m echan ism s we re ana ly zed. T he results show that the stress exponen t n is 3. 0, creep activation energy Q is 45kJ/m o,l and the ma teria l struc-
在同一温度下, 作稳态蠕变速率 与应力 对
数曲线, 如图 3 所示。由该图看出在四个温度下
ln 与 ln 间有较好的线 性关系, 由各 条直线的斜
率得到应力指数 n。在一定应力下, 作稳态速率 的
对数与温度的倒数
(
1 T
)关系图,
如图
4
所示,
可以
看出 In
与
1也有较好的 T
线性
关系,
由各条直线的
斜率可以得到蠕变激活能 Q。应力指数 n与蠕变激
第 29卷第 2 期 V o l 29, N o 2
西华 大 学学 报 ( 自 然 科学 版 ) Journa l o f X ihua Un iversity N atural Sc ience
文章编号: 1673-159X ( 2010) -04
2010年 3月 M ar. 2010
2 试验结果与分析
2 1 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊料的压入蠕变曲线 试验结果如 图 2 所示。为 Sn-4 8B -i 0 7Cu 合
金焊料在应力为 10 ~ 25MP a, 温度为 40~ 115 时 的压入蠕变曲线。试验时 采取每 10s采 集一个数 据, 横坐标为压入蠕变时间, 纵坐标为压头压入的位 移量。
图 5 ln 和' ( n ln -Q /RT ) 的关系
3 讨论
3 1 相组成分析 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊料的 XRD 图谱见图 6。
由图 6分析可知, 焊料主要是由 Sn、Cu6 Sn5、B i三相 组成。
图 3 压入应力与稳态蠕变速率的关系
图 4 温度与稳态蠕变速率的关系
表 2 Sn-4 8B -i 0 7Cu 无铅焊料的应力指数和蠕变激活能
tu re constant A is 6 3 10-9. The constitu tive equation o f the indentation creep steady-state creep rate '= 6 3 10- 9 3 0 exp(-4 5
104 /RT ). The creep deform ation of so lder increases acce lerate ly w ith the increase in tem pera ture and stress. T he ash ine m assive phase B i and sm a ll flake Cu6 Sn5 ( IM C) are prec ip itated be fo re creep. T he m atr ix Sn is streng thened by anew d isso lv ing phase B i and d ispersive distr ibution o f Cu6 Sn5 ( IM C) afte r creep, wh ich improves the creep resistance o f Sn-4 8B -i 0 7Cu so lder.
Sn-4 8B i-0 7Cu无铅焊料的压入蠕变行为
曾 明, 胡 丽, 张业明, 刘新刚, 刘家麟
( 西华大学材料科学与工程学院, 四川 成都 610039)
摘 要: 研究了 Sn-4 8B-i 0 7Cu无铅焊 料在温度为 40~ 115 , 应 力为 10~ 25M P a条件下 的压入蠕变性能, 获
K ey word s: lead- free solder Sn-4 8B-i 0 7Cu; indentation creep; constitutive- equation; m icrostruc ture
S n-Pb 焊料 是电 子 装 联中 应 用 最广 泛 的 软 钎焊 材料, 但 Pb 有毒, 严重危 害人类及环境, 寻找替代 传统 Sn-Pb焊料的无 铅环保焊料 是亟待 解决的问 题 [ 1-3] 。
10 15 85 20 25
3 6 10- 6 1 10- 5
3 6 10- 5 8 10- 5
10 15 115 20 25
9 7 10- 6 3 4 10- 5
1 10- 4 2 3 10- 4
从表 1可清楚地看出, 稳态压入蠕变速率随着
温度的升高和应力的增大而加快。在相同温度下, 试验应力 越大, 稳 态压入 蠕变 速率 越大。温度 在
文献标识码: A
Indentation C reep Behavior of Sn-4. 8B i-0. 7Cu L ead-free Solder
ZENG M ing, HU L ,i ZHANG Y e-m ing, L IU X in-gang, L IU Jia- lin
( School of M aterials S cience and E ngineer ing, X ihua Un iver sity, Chengdu 610039 Ch ina)
根据压入位移量变化得到的结论一致。
2 3 稳态压入蠕变本构方程
蠕变研究中, 一般用稳态蠕变速率来表征材料
的蠕变性能, 它与材 料的特征、外部载荷和温 度有
关。高温稳 态 蠕 变速 率 可 以 用 以 下关 系 式 来 表 示 [ 5-7] :
=A
n exp
-Q RT
( 1)
其中, A 是与温度、应力和材料特征有关的结构
115 时, 25M P a下的稳态蠕变速率 约为 10M Pa 时
的 24倍。在相同应力下, 随着试验温度的升高, 稳 态蠕 变 速 率 也 呈 加 快 趋 势。 应 力 为 25M P a 时,
115 时的蠕变速率是 40 时的约 40 倍。这 同样
说明了压入蠕变受温度和压力的影响很大, 和前面
料显微组织中有亮块状 B i相、短片状 Cu6 Sn5 金属间化合物; 蠕变后 B i相重 新固溶到 Sn基 体, Cu6 Sn5 金属 间化合 物弥散分布于基体中, 提高了焊料的抗蠕变性能。
关键词: Sn-4. 8B -i 0. 7Cu无铅焊料; 压入蠕变; 本构方程; 显微组织
中图分类号: TG132 3