Sn_Bi系无铅焊料熔体结构转变及其对凝固组织及润湿性的影响

传统焊接技术使用的锡 - 铅( Sn - Pb) 金属焊料以 其优异的性能和低廉的成本, 一直在电子行业广泛 应用[ 1] 。但是, 铅及其化合物属于有毒物质, 长期使 用会给人体健康和生态环境带来危害, 因此, 限制铅 的使用已成为全人类的共识, 各个国家已积极通过 立法来减少和禁止铅等有害元素的使用[ 2~ 4] 。相应 地, 在电子行业中使用无铅焊料势在必行。 国内外资料显示 , 对无铅焊料的研究主要集中
( 1 Scho ol of M ater ial Science and Eng ineering , H efei U niver sity o f T echno log y, H efei 230009, A nhui, China; 2 School of Mechanical and Automotiv e Engineering, Hefei University of Technolo gy , H efei 230009, Anhui, China; 3 Industrial T raining Center, Hefei U niversit y of T echnolog y, Hefei 230009, Anhui, China) Abstract: In this paper, the electrical resistivities o f liquid Sn - 57% Bi lead - free solder w ere measur ed Based on the measured results of elect rical resistivity , corr espo nding so lidificatio n and w ettability experiments have been car ried out T he r esult s show melts str ucture tr ansition was found out at 785~ 900 above the liquid line fo r lead - fr ee Sn 57% Bi so lder M elts str ucture transition can refine pr imar y phases and eutectic phases, and chang e micro - pattern T he wettabilities of the so lder after structure transitio n is better than that of the solder before structure transitio n Key words: lead - f ree so lder; Sn - Bi allo y; melt structure transition; electr ical resistiv ity
图1 Fig 1 Sn -57%Bi 合金升温过程电阻率 - 温度曲线 [ 11] The resistivity - temperature curves of liquid Sn - 57%Bi alloys during heating
液态合金熔体的电阻主要是由于其内部的微粒 对传输电子的散射而产生的。大量 的 X 射线衍射 及中子衍射研究表明 , AB 型合金在比液相线温度 稍高的温度区域存在着 A 和 B 的原子团簇。由 Sn Bi 合金相图可以知道, 两种合 金的互溶度不很大, 所以可以认为当合金刚刚熔化完时, 其合金熔体内 部还存在着大量的 Sn - Sn 和 Bi Bi 原子团簇或由于 金属的遗传性规律其合金熔体内部还留有固态时的 短程序结构 , 当温度较低时 , 其电阻率的变化不很明 显 , 只是单纯地成线性比例增高。但是, 如果合金熔 体的温度达到某一临界值 , 其能量足够大从而能克 服能垒时 , Sn - Sn 和 Bi Bi 原子团簇和一些短程序结 构开始遭到破坏, 并重新结合成一种新的相对均匀 稳定的 Sn - Bi 团簇。这种变化过程可以认为是合金 中的短程有序在升温过程中逐渐破坏并且转变成更 加无序的结构, 于是可以从中得出这样的结论 : Sn 57% Bi 合金所发生的熔体结构转变均为有序 - 无序 转变。 2 2 凝固组织的观察及分析 以电阻率 - 温度曲线发生异常变化的温度区间 作为温度参考区间, 选取 650 和 1100 两个温度 点作为合金的熔炼保温温度 , 熔炼后浇注到铁模空 冷 , 并观察凝固组织, 以探索熔体结构转变对两个无 铅焊料凝固组织的影 响。图 2( a) 和图 2( b) 为 Sn 57% Bi 合金熔体转变前后的凝固组织。
更快, 并且又恢复了这种线性关系。由此可以得出: Sn - 57% Bi 合金升温 过程中在 785~ 900 范围内 发生了明显的熔体结构转变。
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实验过程
以典型低温无铅焊料 Sn - 57% ( 质量) Bi 为研究
对象 , 合金试样以高纯 锡、 高纯 铋为原材料配 制而 成, 其纯度均为 99 99% 。在电阻加热炉内将合金 升温至 400 左右, 以 B2 O3 覆盖保护金属熔液, 熔 化后经机械方法搅拌混合均匀, 并保 温 30 min, 然 后浇注于测量样杯中 , 浇注后及时 进行电阻测量。 为防止高温下合金熔体氧化, 测试过程中一直在高 纯氩气( 5N) 下进行保护。通过程序控制设置升、 降 温步骤和升、 降温速率 , 升温速率通过多次试验 , 确 定采用 5 / min。根据电阻测量的结果, 可知 Sn 57% Bi 在加热过程中的熔体结构转变温度 区间分 别为 785~ 900 。以熔体结构转变对凝固的影响 为切入点 , 将两合金的熔炼温度分别选取熔体结构 转变前的 650 ( 保温 60 m in) 和熔体结构转变后 的 1100 ( 在 1100 保温 60 m in 后移到 650 炉 中保温 20 min, 记为 1100 650 ) 。熔炼 结束后 取出浇注于铁模中, 观察、 比较其凝固组织。最后按 GB11364- 89 钎 料铺展性 及填缝性 试验方法 标 准, 在上述不同条件下制备( 即熔体结构转变前和转 变后凝固获得) 的无铅焊料在铜板上施焊, 来考察经 过不同热处理后的焊料对铜板润湿性的影响。
Structure Transition of Lead -free Sn -Bi Solders and Its Effects on Solidification and Wettability
LI Xiao -yun1, 2 , W U Wei3 , CH EN H ong -sheng 1 , ZU Fang -qiu1
在成分选择、 配比的优化以及微量元素 ( 如稀土) 对 各种性能的影响上 [ 5~ 7] 。很少有人关注无铅焊料本 身的制备条件, 比如影响金属熔体结构与性质的热 历史条件。无铅焊料及其接头的凝固组织决定着强 度、 韧性、 抗疲劳性等可靠性参数, 而对基料的润湿 性也是焊料作业工艺性能的重要因素之一。本文将 以无铅焊料自身的凝固组织及对铜板的润湿性与熔 体结构的相关性作为研究的主要对象。
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金属功能材料
2010 年
图 2 Sn - 57%Bi 合金的凝 固组织 ( a) 650 ; ( b) 1100 650 Fig 2 The microstructure of Sn - 57%Bi alloys
从图 2( a) 可以看出 从而减小临界晶核尺寸, 使已生 成的晶核稳定, 并可使更多的细小质点和原子团簇 发挥形核核心作用 , 降低了结晶形核的势垒, 有效地 提高了形核率。此外 , 根据晶核连续长大的速率公 式 R = net , 式中 为固液界面上增加一原子团簇时界面向前推 进的距离 ,
炜3 , 陈红圣1 , 祖方遒1
合肥 230009; 合肥 230009;
材料科 学与工程学院 , 安徽 机械与汽车工程学院 , 安徽 工业培训中心 , 安徽
3 合肥工业大学 摘
合 肥 230009)
要 : 本文通过电阻法研究了 Sn - 57% Bi 无铅焊料在液相线以上一定温度范围内发生熔 体结构转 变的可能性 及 范围内发 生了熔 体结构 转变 , 而且熔 体结构 转变细 化了凝 固组织 ,
规律性 , 并以此为切入点研究了熔体结构转变前 后 Sn - 57% Bi 焊料的凝固组织和润湿性能 的变化规律。结果表明 : Sn - 57% Bi 无铅焊料在液相线以上 785~ 900 改变了微观形貌 ; 经历熔体结构转变而凝固的合 金焊料较未发生转变的合金铺展面积增大 , 润湿角减小 。 关键词 : 无铅焊料 ; Sn - Bi 合金 ; 熔体结构转变 ; 电阻率 中图分类号 : T G 425 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1005- 8192( 2010) 06- 0036- 04
第 17 卷 第 6 期 201 0年12月
金属功能材料 M et allic Funct ional M aterials
V ol 17, N o 6 D ecember, 2010
Sn -Bi 系无铅焊料熔体结构转变及其 对凝固组织及润湿性的影响
李小蕴1, 2 , 吴
( 1 合肥工业大学 2 合肥工业大学
net
中有长条状的 - Sn 初生相和典型的片层状共晶组 织, 初生相具有一定的方向性。而图 2( b) 中经 1100 650 保温后凝固的试样中也有共晶组织和初 生相 , 不过初生相的形态变成了较为细化的颗粒状 , 尺寸明显细化, 分布也更加均匀, 并且不再具有方向 性; 同时共晶组织的片层间距也相对有所减小。可 见熔体发生的结构转变对合金的凝固组织产生了较 大的影响。 由文献[ 12] 可知经过熔体结构转变的 Sn - 57% Bi 共晶成分合金熔体在随坩埚冷却过程中, 由于熔体 结构转变的影响 , 使其凝固过冷度增大。可以推知 , 铁模浇注时经过熔体结构转变后的试样由于结构转 变的影响 , 其凝固时初生相和共晶反应的过冷度稍 高于转变前熔体的过冷度。经历结构转变的熔体在