SnAgCu系软钎料钎焊接头的熔化特性和力学性能研究

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料，之后冷却中也会出现更多的 Cu6Sn5 金属间化合物，假 若 Cu 溶解量较多还有产生 Cu3Sn 金属间化合物的可能 性。在 0.1%Ni 添加量时，尽管在 Ce、La 混合物结果依旧 类似于稀土元素摩尔分数发生 Cu6Sn5 相影响预测情况， 明显对晶界金属间化合物生长有所抑制。经测量统计结 果表明，Ni 未 添加之前，在 Sn2.5Ag0.7Cu 内达到 10~ 20滋m 的界面层厚，但是在 0.1%Ni 添加量情况下，厚度 减小至 1~2滋m。添加微量 Ni 有助于减少钎料组织内的 Sn 相尺寸，在现有文献中也对这一点有所证实，在富 Sn 相内逐渐扩散进入 Cu 原子，IMC 会向富 Sn 内部相逐渐 长大。在 IMC 相逐渐长大至富 Sn 相界面情况下，会逐渐 被相界面阻挡生长。 3.2 钎料合金力学性能
因素 一水平 二水平 三水平
W（Ag） 2 2.3 3
W（Cu） 0.5 0.7 0.9
W（RE） 0.05 0.25 0.5
因为考虑到稀土是较活泼元素结合以往文献经验，
本次试验采用了真空熔炼制备法，采用超过 99.9%纯度
质量分数的 Sn、Ag、Cu、Ni 和富 Ce、La 混合所得的 Re 为
原材料，制备铅合金最终 Ni 残留量（见表 2）。
摘 要：文章以 Sn2.5Ag0.7Cu0.1 系软钎料钎焊接头为基础，制备不同 Ni 含量的钎料合金，添加了 4：1（Ce：La）比例的微量
RE（稀土），对软钎料钎焊接头在不同 Ni 含量下的显微组织、熔化特性、力学性能展开实验。运用钎料完成纯铜钎焊处理后，测试
不同 Ni 含量下的钎料合金钎焊接头蠕变性能，结果发现加入 Ni 有助于对钎料合金力的纤维组织、力学性能有所提升，但是不会
Keywords: SnAgCu; melting characteristics; mechanical properties
Sn-Pb 合金拥有良好综合性，熔点低且方便易操作， 同时还能够和合金、铜产生较好润湿作用，被广泛应用于 钎焊领域[1]。由于含有铅钎的材料不同程度地破坏人体健 康和生态环境，所以近年来愈来愈多研究者展开对无铅钎 料的深入研究，在现有研究成果中主要集中研究的无铅合 金系列材料，有 Sn-Ag、An-Cu、Sn-Ag-Cu 等[2-3]。其中本文 研究的 SnAgCu 系因为具备的优越润湿性、力学性能，逐 渐成为极具发展前景的含铅钎料替代品[4]。但是此类材料 在实际应用中，因为合金系的延展性较差，再加上蠕变所 致材料的使用期限较短。所以将微量稀土元素加入材料 中，如将 0.05%浓度的稀土加入 Sn-9Zn 共晶合金中，可以 十分明显地细化晶粒，又或将微量稀土加入 Sn-Ag-Bi 合 金中，多个研究结果表明很大程度改善了合金材料的拉伸 性、抗疲劳性[5-6]。在本文针对 SnAgCu 系钎料合金加入微 量稀土后，钎焊接头的熔化特性及力学性能改变情况，研 究了加入不同 Ni 含量后，Sn2.5Ag0.7Cu0.1 系软钎料钎焊 接头所受 Ni 含量的影响。 1 微电子连接无铅钎料合金成分设计制备
运用了万能材料试验机完成对不同 Ni 含量的钎料 合金抗拉强度测试，设定 1mm/min 的试验过程中拉伸速 率，图 1 为本次钎料合金在拉伸中的试样形式。
图 1 拉伸试样
2.3 钎焊试验 根据制备 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi 钎料合金，钎焊
原材料通过硬铝材料加工所制卡具，组装试样之后置 入立式电炉作加热处理，450益钎焊温度，进行 7min 钎 焊后采用 22%浓度 w（NH4CL）混合 2%浓度 w（ZnCL2） 所得水溶液成功自制钎剂，图 2 为本次试验的钎焊接 头试样图。 2.4 蠕变试验
很大程度影响合金熔化特性。本次试验发现了在 Ni 是 0.05%、1%含量情况下，接头的蠕变性能较其他 Ni 含量明显更优。
关键词：SnAgCu；熔化特性；力学性能
中图分类号院TG42
文献标志码院A
文章编号院2095-2945渊2021冤19-0029-03
Abstract: In this paper, based on the brazed joint of Sn2.5Ag0.7Cu0.1 series soft solder, the solder alloys with different Ni content were prepared, and the micro RE (rare earth) with the proportion of 4:1 (Ce:La) was added. The microstructure, melting characteristics and mechanical properties of the brazed joint with different Ni content were tested. After the pure cop鄄 per was brazed with filler metal, the creeping properties of brazed joints with different Ni content were tested. The results show that the addition of Ni can improve the fiber microstructure and mechanical properties of solder alloy, but will not affect the melting characteristics of the alloy to a great extent. In this experiment, it is found that when the content of Ni is 0.05% and 1%, the creeping property of the joint is obviously better than other Ni content.
完成对加入不同 Ni 含量的 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi 钎料合金接头试样，设定 16.72Mpa、65益试验条件下，展
图 2 钎焊接头试样
开试样蠕变使用期限测试。 3 结果与分析 3.1 钎料合金显微组织性能
根据如上试验条件下所获不同 Ni 含量钎料合金显 微组织，能够发现所获钎料合金在显微组织中，主要由 茁-Sn 和共晶组织组成。参考以往文献试验观点结合本次 试验结果，可以发现 Ag3Sn、Cu6Sn5 两相在共晶组织内。因 为本次试验过程中加入了不同含量的 Ni，所以晶界最终 生成了不同形状的网状金属化合物，不同的 Ni 添加含量 也产生了十分明显的显微组织微观形貌差别。其中在 Ni 为 0.05%添加含量情况下，获得了最为细密且均匀的显 微组织。在加入 RE、Ni 后对金属件化合物长大有明显限 制，所以有助于对钎料合金的力学性能及塑韧性充分提 升。根据相关文献报道显示，将微量稀土 La 添加至 Cu6Sn5 金属间化合物长大驱动力，因为添加的稀土和 Ni 物理化学性质相似，所以能够获得较细密的显微组织。添 加微量稀土极大降低了 Cu6Sn5 金属化合物的长大驱动 力，Sn37Pb 显微组织为共晶相，根据晶粒大小能够看出 添加适量 Ni 可以对合金显微组织明显细化。观察网状金 属化合物，能够发现有诸多 1~2滋m 白色小颗粒聚焦一 起，在黑灰色基体中呈现网状式镶嵌。分析能谱可以发现 在网状聚焦白色小颗粒作为 Ag3Sn 金属间化合物，黑色 片状组织作为 Cu6Sn5 金属间化合物。由显微组织能够发 现前者的晶粒明显相较后者更加细密，出现这种情况的 关键原因在于，Sn 原子半径较 Ag 原子半径值，较 Sn 和 Cu 两原子半径比值要明显小，所以在添加 Ni 后 Ag 固溶 也就要难于 Sn，形成了 Ag3Sn 晶粒不易长大。
通过设定 270益水洗钎焊温度，完成钎焊后发现添加 Ni 对于 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE 界面层生长影响较大，将 Ni 添加后界面形态逐渐平缓，能谱分析发现界面层与钎料 靠近一侧，有着较多的 Cu6Sn5 金属间化合物。整个钎焊过 程中，能够实现母材及钎料之间的一定作用，提前获得优 良的冶金焊点。根据 Sn-Cu 二元合金平衡图能够发现，在 Sn、Cu 液态下能够实现无限互溶，固态 Cu 在 Sn 内较小 溶解度，所以钎焊母材 Cu 能够溶解液态 SnAgCuRE 钎
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2 实验 2.1 制备钎料合金
本次试验前期通 过运用 Sn、Ag、Cu、Ni 和富 Ce、La 均超99.9%纯度，在混合后所得 Re 作为原材料，运用真 空熔炼法设定了 5伊10-3Pa 真空度的电炉参数，在非自耗 电炉经过熔炼后，成功获得了 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi 钎料合金。在这个制备过程中，为了获得钎料合金将不同 含量 Ni 加入其中，分别是 0、0.01%、0.05%、0.1%、1%。 2.2 钎料合金显微组织及性能检测 2.2.1 显微组织
将金相试样采用环氧树脂冷镶，在钎料铸锭内成功 截取后，采用金相水砂纸对试样作打磨抛光处理，然后完 成约 10s 的试样腐蚀，运用了 4%浓度的 (HNO3) 酒精 溶液，完成腐蚀后采用扫描电镜、光学金相显微镜对钎料 合金的显微组织进行观察分析。 2.2.2 熔化特性
针对上面自制钎料合金，为了分析熔化特性，本次试 验采用了 PCR-1 型差热分析仪，运用该设备对合金试样 的固相、液相两种线温度成功测取，分别用 Ts 和 T1 表 示。本次熔化特性试验设定了仪器量程 250mV，升温速 度 2益/min，在差热测取时运用台式自动平衡记录仪，走 纸速度设为 4mm/min。 2.2.3 钎料合金力学性能
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SnAgCu 系软钎料钎焊接头的熔化特性和力学性能研究 *
邱 天 1，刘树龙 2*，朱明成 2，闫 萍 1，高 超 2，江正卓 2，朱嘉仪 2
（1.淮北师范大学 生命科学学院，安徽 淮北 235000；2.淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）
表 2 钎料合金 RE 残留量
W（Ni 添加量）% W（Ni 残留量）% W（Ni 烧损量）%
0.10.066源自340.250.200
20
0.5
0.460
8
* 基金项目院全国大学生创新创业项目渊编号院202010373023袁202010373062冤曰安徽高校自然科学基金项目渊编号院KJ2020B08袁KJ2020B27袁KJ2020A1194冤曰 安徽省质量工程项目渊编号院2020sxzx47袁2020xkcsz010冤 作者简介院邱天（1997-），男，电子信息硕士研究生在读，研究方向：实验室固定资产管理及教育学。 * 通信作者院刘树龙（1982-），男，材料学博士，副教授，基础物理实验中心主任，研究方向：功能梯度复合材料及实验室管理。
根据图 3 能够发现由最初添加 w （Ni）0.01%浓度逐 渐增加至 0.1%这个实验过程中，随着 Ni 含量逐渐增加， 随之增强了钎料合金的抗拉强度，发生这一实验现象的 关键原因在于，所添加的 Ni 具有固溶强化作用。并且在 加入不同浓度 Ni 之后，也逐渐增强了钎料合金在晶界的 扩散激活性能，与晶界裂纹的表面能，所以明显提升了钎 料合金的抗拉强度。但是在添加 w（Ni）到 1%情况下，却 呈现了明显的钎料合金抗拉强度降低趋势。
正交试验作为目前研究界比较理想的一种优化实验
方案，在正交试验中可以通过最少实验次数，多因素寻找
对试验结果有所影响的最优化组合。在本次实验中明确
了初始三因素分别是 Sn、Ag、Cu，每一个因素分别取三成
分水平（见表 1），为三因素三水平设计实验方案，经单因
素实验分析钎料合金性能的影响规律。
表 1 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE 钎料合金正交实验因素水平表