材料失效分析

材料失效分析

关于散装无铅焊料的脆性到塑形断裂的

转变温度的研究

姓名：肖升宇专业：材料科学与工程学号：0926000333 摘要

断裂韧性的散装锡，锡铜无铅焊料，锡银和测量功能温度通过一个摆锤冲击试验（冲击试验）。韧脆断裂转变他们发现，即急剧变化，断裂韧性，相比没有转变为共晶锡铅。过渡温度高纯锡，Sn-0.5%铜和Sn-0.5%铜（镍）合金在- 125℃含有Aｇ的焊料显示过渡在较高温度：在范围78到45–°–°C最高转变温度45℃–°测定锡- 5%银，这是球以上的只有30–°角的增加的银内容变化的相变温度较高的值，这可能与高SnAg3颗粒体积分数的焊料的量。这些结果被认为是非常重要的选择最好的无铅焊料组合物。

简介

由2006年七月份。铅的使用电子在欧洲将被禁止，以及无铅焊料应取代锡铅焊料，常用于微电子领域超过50年。许多以Sn为基体的焊料针对于过去几年进行深入研究，如锡银，铜，Sn-Ag-Cu等等，特别是关于其可靠性，工作是远远没有完成。自从这个“软”铅被从焊料中提取出来之后，导致无铅焊料不容易变行和增长了当地积累的应力水平，这也增加了裂缝成核的概率。这显着影响着主要焊点的失效模式，即焊料疲劳。这是众所周知的一些金属松动的低温延性，并表现出脆性断裂模式。因此，韧性到脆性转变温度是一个重要参数。

至于我们的知识，只有现有无铅合金的数据，见迈耶[1]，显示出锡5％银的转变温度为-25°，相比没有过渡锡，铅-1.5Ag93.5％。这其实是相当令人失望，因为许多标准热

循环试验开始温度低至-40甚至-60℃，这会影响故障模式。此外，这个温度范围也有一些应用程序，例如航天。“本文的目的是研究几大部分含铅量焊料的脆性到韧性骨折转变温度。

实验

众所周知的一个摆锤冲击试验，“摆锤试验”，用以确定在断裂消耗的能源量，这是一个断裂韧性的措施材料，如温度的功能。“实验装置如图1所示。

对７种合金材料做了测试，结果如下：

·99.99wt.%Sn

·Sn-0.7wt.%Cu,

·Sn-0.7wt.%Cu (0.1wt.%Ni)

·Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu,

·Sn-4wt%Ag-0.5wt%Cu

·Sn-5wt%Ag

·Sn-37wt.%Pb,作为参考

根据所进行的测试ASTM E23标准的V型缺口样品大小为

10x10x55mm。对于某些样本大小为5x5x55mm的合金被使用，由于只有有限的物质可用。锤能量为50J和冲击速度为3.8米/秒。能源锤358J被用于多次测量时吸收能量大于50J。结果是由截面样品表面正

常化导致的。样品温度的变化范围：-195°C至100°C间，通过过线加热/冷却系统实现的。加热在热水和干冰的冷却（粉CO2）或液体乙醇用液氮冷却。继ASTME23标准，样品在所需的温度下回火10分钟然后转移到机器和测试不到10秒钟。

图２中的结果显示出显示无铅焊料断裂模式的改变来自于韧性到脆性的改变。他们所有的断裂韧性随着温度的下降而增加，只是在过渡期之前达到其最大温度。断裂韧性是结合强度和韧性。弹性属性的含铅量（E - 弹性模量和屈服强度）焊料有显着增加随着温度的降低，但是无显着变化延性[2]，从而导致增加断裂韧性。在转变温度，发生了一个断裂韧性的急剧变化。变化中吸收的能量约一量级，这是一个从韧性到脆性破坏模式改变的明确指示。转变温度，“安全”的应用间隔和过渡类型总结在表一中。被注意到了在低温环境下Sn-Pb焊料逐渐失去了延展性，但是并没有发现其中的急剧转变。相反，急剧转变却在无铅焊料中被发现了。转变温度相对较低。研究表明所有焊料延展温度在-30°C以上，这种韧性对于大多数应用已经足够了。分析含铅量焊料可以分为2组：低转变温度一组和较高的一组。第一组由99.99％，锡，锡-0.7wt％Cu和Sn-0.7wt％铜（镍）焊料以及转变温度约-130°C和一个“安全”的范围在-120°C以上。这可能关系到纯锡的内在属性和含少量的铜或铜（镍）不造成重大的变化。相反，在Ag含量的增加明显更有价值改变转变温度范围在-78℃到-45℃。在锡中添加5wt％的银被测出含有最高转变温度，为-45℃，已经公布了相当对应的数据[1]。

三个有代表性的断口样品在图3-5所示，即纯锡，锡5％Ag和SN-37％的铅。图3-5ａ。是相应的断裂韧性类型（高温）和图3-5，ｂ：到脆的那个（低温）。这两种类型的无铅合金的断裂面显然不同。高温下那一组是阴暗和纤维表明是在高塑韧性断裂后变形的。在低温的一组，这光泽和结晶表明是脆性断裂。另一方面，Ｓｎ－ Pb焊料的断口没有显着差异，他们都是阴暗面。断口结果很好地符合了摆锤冲击的测量试验，明确的呈现出脆性到韧性的过渡，无铅焊料和无急剧转变的情况下的锡铅焊锡。

研究了合金的微观结构由图6显示。比较图６中的ａ和ｂ，最初的纯锡样品和同一个合金后脆性断裂在微观结构之间并没有显示出差异。其他样品也显示典型的微观结构：锡树突和共晶区域包含着Sn5Cu6和/或SnAg3颗粒，取决于合金组成，在锡矩阵，见图6，

c-g。典型的共晶锡ａ－ｂ是含有37％的铅的微观结构，如图6 ｈ所示。不出意外的相被发现，例如钻石立方“灰锡”，这是负责危险的“锡害虫”这是能够改变大幅力学性能的研究合金。

讨论

目前的研究结果清楚地表明，高纯锡，含 0.5％Cu锡和Sn-0.5％的铜合金（镍）有韧脆转变温度，约-125°C。我们对锡过度的研究结果跟金属手册[2]提出的图形匹配的不是很好，但在大约-30°C的温度下并不是这样的。我们对于这种差异的没有合理的解释。虽然大多数的具有重要商业价值的金属并不显示低温脆性，一些体心立方金属却能显示，最重要的是形成一切形式的铁。它有必须指出，在白锡

的结构下，对此进行研究，它也是体心结构，属于正方晶系。

纯锡的另一个问题是，它可以从一般的体心结构到四方钻石立方形式的转变（灰色金属（鲜艳锡）锡），其中有非常不同的特性。由于这同素异形体的转型是伴随着密度的改变，从7.3至5.75公克╱立方公分从而扩大导致金属解体，就如我们知道的“锡害虫”[2]。

转变的平衡温度为13°C，但其转变的最大速度是在-40°C但是非常难以启动这一转变，甚至启动后的速度是非常小的。它话费1.5多年在-20°C，为了实现40％的转换到灰锡的锡0.5％的铜锭表面[3]。这转换被杂质显著影响着; 铋和锑抑制它的成功，和锗，铝，锰，镁，钴可以加快。虽然在我们的测试样品冷却，比较短，约10分钟，我们检查纯锡样品的微观结构和比较之一，这表明一种脆性断裂模式（在-195°C），参见图6，A和B。光学检测水平无明显差异（几微米的分辨率）。其实锡的99.99％，显示了非常简单的微观结构，由于缺乏第二相粒子。因此，我们没有理由认为任何一个环节之间的同素异形体的转型和韧脆性断裂转变观察这项工作。

向锡中加入铅能明显的改变断裂时的表现。断裂强度变小了，而且随着温度的降低逐渐降低。在研究的Sn-37%Pb合金中，并没有发现断裂模式的明显改变。

Sn-5%Ag 和the Sn-Ag-Cu 合金显示比纯锡大两倍的断裂强度，这是与第二相粒子有关的。在较高的温度下：–78° to–45°C.，它们表现出明显的从韧性到脆性的转变，最高的转变温度是Sn-5%Ag 的转变，温度为-45摄氏度，它只在高于-30摄氏度的温度中才表现出