添加纳米Cu6Sn5颗粒对SnBi钎料合金组织和性能的影响-深圳市福英达
添加纳米Cu6Sn5颗粒对SnBi钎料合金组织和性能的影响
1.
随着电子设备在日常生活中的普及，锡基无铅焊料在电子工业中的重要性逐渐凸显。为防止电子设备在高温焊接损坏，低温焊接和低熔点焊料的研究在广泛进行中。
Sn42Bi58(Ag) 焊料具有抗拉强度高、熔点低的特点，是一种很有潜力的无铅焊料。然而Sn42Bi58焊料的合金的某些性能仍需增强。
用微粒增强钎料合金是改善钎料合金性能的有效途径。三种用于增强的颗粒类型为：金属颗粒、氧化物颗粒和金属间化合物(IMCs)的纳米颗粒。Cu6Sn5纳米颗粒是一种有效的低温烧结材料，这里总结了Cu6Sn5纳米颗粒的加入对钎料组织、拉伸性能、蠕变行为和耐腐蚀性能的影响。
图1. (a) Sn58Bi粉末和(b) Cu6Sn5纳米颗粒的扫描电镜图像。
2. 不同浓度Cu6Sn5纳米颗粒对SnBi钎料的微观结构影响分析
背散射电子(BSE)图像显示，加入Cu6Sn5后，由于非均相形核，焊点微观结构变得更加精细。当Cu6Sn5的浓度达到0.1 wt%时，由于纳米颗粒的团聚，组织再次变得粗糙。能谱仪(EDS)分析表明，Cu元素在富bi和富sn相中分布均匀，不同于含Cu纳米颗粒的SnBi, Cu倾向于在富sn相中分散。这是因为Cu6Sn5纳米颗粒在本工作的复合焊料中不与锡反应。
图2. (a)SnBi，(b)SnBi-0.03 cu6sn5，(c)SnBi-0.05 cu6sn5和(d)SnBi-0.1 cu6sn5钎料微观结构的BSE图像。
图3. SnBi-0.05Cu6Sn5焊料的元素映射:(a) (b) Sn，(c) Bi和(d) Cu的二次电子(SE)图像和EDS映射。
3. Cu6Sn5纳米颗粒微合金化SnBi钎料的拉伸性能
纳米颗粒的加入削弱了Cu6Sn5 IMC纳米颗粒与SnBi基体之间的结合，导致其极限抗拉强度(UTS)降低。但复合钎料的UTS仍高于SnAgCu和SnAg钎料。纳米颗粒的加入增大了延伸率，在加入0.05 wt%纳米颗粒时观察到最大延伸率。弹性模量随着纳米颗粒浓度的增加而不断增大，在0.05 wt%时达到最大值。Cu6Sn5纳米颗粒的存在也降低了孔隙率，从而提高了弹性模量。拉伸断口的SE图像表明，纳米颗粒的加入使脆性SnBi焊料向更具有延展性转变。然而，过多的（0.1wt%）纳米颗粒会由于聚集而降低纳米Cu6Sn5 imc的改善效果，使延伸率降低。
图4. (a) SnBi-xCu6Sn5 (x=0, 0.03, 0.05, 0.1)焊锡板的拉伸应力-延伸率曲线;(b)不同Cu6Sn5浓度试样的极限抗拉强度和弹性模量的变化。
图5. (a) SnBi， (b) SnBi-0.03 cu6sn5， (c) SnBi-0.05 cu6sn5和(d) SnBi-0.1 cu6sn5焊锡板拉伸断裂的SE图像。
4. 通过纳米压痕试验测量蠕变行为的结果
在峰值荷载为20 mN的情况下，保持30 s以表现不同试样的蠕变行为。穿透深度随着Cu6Sn5浓度的增加而减小，蠕变抗力也逐渐增大。加入Cu6Sn5纳米颗粒后，SnBi钎料的蠕变变形得到显著改善，0.05%和0.1%质量百分比的复合钎料的抗蠕变性能最佳。所有复合钎料的蠕变应变率均低于纯钎料。加入Cu6Sn5纳米颗粒后，主要蠕变机制由位错爬升转变为晶界滑移，导致最终蠕变应变率降低。
图6. (a)不同纳米颗粒浓度下压痕试验的载荷-穿透曲线，(b)峰值载荷为20 mN 30 s下试样的蠕变过程，(c)不同Cu6Sn5纳米颗粒质量百分比下蠕变应变率的变化，(d)各种复合钎料合金的蠕变应力指数。
5. 不同Cu6Sn5纳米颗粒浓度的复合焊料样品的耐腐蚀性
在测试5、10和15天后计算腐蚀速率。结果表明，纳米颗粒的加入提高了耐蚀性，降低了腐蚀速率的增长。微观组织分析表明，复合钎料产生了更多的微纳米抗腐蚀粒子，作为腐蚀屏障，降低了钎料基体的点蚀倾向。加入Cu6Sn5纳米颗粒为0.05%抗腐蚀性最好。
图7. 不同Cu6Sn5纳米颗粒浓度复合焊料腐蚀速率的比较。
图8. 腐蚀15天后(a) SnBi， (b) SnBi-0.03 cu6sn5， (c) SnBi-0.05 cu6sn5和(d) SnBi-0.1 cu6sn5焊料表面的SE图像。
用10 nm的Cu6Sn5纳米颗粒改善SnBi钎料合金性能。在测试中，0.05% Cu6Sn5纳米颗粒的焊接性能最好。Cu6Sn5纳米颗粒的加入细化了SnBi钎料的微观结构。与纯试样相比，复合材料的拉伸性能由脆性向延性转变。纳米压痕试验表明，SnBi-Cu6Sn5样品的抗蠕变能力通过蠕变机理的转变得到增强。在腐蚀实验中，含有纳米颗粒的样品表现出较低的腐蚀速率。这种金属间化合物纳米粒子的强化将为焊料微合金化提供新的认识。
6. 微纳米增强焊料
1. 高强度低温焊料FL170/FL180/FL200采用微纳米增强颗粒弥散在焊料中，细化了组织结构，抑制了Bi的富集，其可靠性明显改善；
2.可实现170~200℃低温焊接，适用于非耐热元器件及薄型基板芯片；
3.高强度低温无铅焊料使用方式广：印刷、点胶、针转移、蘸胶、喷印等；
4.焊料粒径范围广，适合各种焊点间距：T3～T7；
参考文献
Effects of nanoscale Cu6Sn5 particles addition on microstructure and properties of SnBi solder alloys. Nanotechnology Weekly. PP.192.
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