Bi对Sn-Cu-Zn无铅钎料性能的影响
发布时间：2021-11-16 02:38
以Sn-0.7Cu-Zn三元合金钎料为基础,研究添加不同含量的Bi元素对合金的熔点、电导率、润湿性以及力学性能的影响。通过差式扫描量热仪（DSC）、万能拉力试验机分别对不同配比的钎料合金进行熔点和力学性能测试,采用铺展性试验法表征其在铜铝板上的润湿性能。研究表明:随着Bi元素含量的增加,其熔点开始下降,但熔程会增加;电导率随着Bi元素含量的增加而减少。随着Bi元素含量的增加,四元合金钎料润湿性能先增加后减少,Bi的含量为1%时可以大幅提高铜铝板上的润湿性能。Bi元素能影响合金的抗拉强度,但合金的伸长率会下降。
【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(17)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
Bi对Sn-0.7Cu-Zn钎料在铜铝板铺展性能的影响
作为一种综合性能良好的钎料，熔点是一个十分重要的特性。在Sn-0.7Cu-Zn三元合金中加入Bi元素后构成四元合金，由于Bi元素本身的表面活性，可以降低钎料的熔点。被测试样首先进行一次加热冷却，待冷却结晶后再进行测试，这样确保熔点的准确性。Sn-0.7Cu-Zn-x Bi合金的DSC曲线如图1所示。从图1可以观察到，Sn-0.7Cu-Zn(10#）合金的熔点为226.2℃与共晶的Sn-0.7Cu相当。Sn-0.7CuZn-(0.5～3)Bi含量的熔点分别为225.6、224.2、222.9、221.9、220.4、219.7℃，并且在整个测试温度范围内只有一个吸热峰，随着Bi元素含量的提高，四元合金钎料的固相线、液相线均有所降低，每增加0.5%的Bi元素，合金熔点平均下降约为1℃。表2为Sn-0.7Cu-Zn-x Bi钎料合金的熔化温度。从表2中可以观察到Sn-0.7Cu-Zn-x Bi钎料合金的起始温度与终止温度，表明Bi元素的添加对Sn-0.7Cu-Zn三元合金熔化过程的起始与终止温度影响较小，每增加或减小0.5wt%偏差大约为1℃。但随着钎料合金起始温度的降低，钎料合金熔化的熔程总体上呈增大趋势，由此可见添加不同含量的Bi元素等可以明显降低合金的熔点，但是由于Bi金属本身的易脆性，熔程的增大会使合金熔化时易产生糊状，从而影响液态钎料铺展时的流动性。电导率的的测试结果如表3所示。通过添加Bi元素（0.5wt%～3wt%）后，平均电导率由8.77 m S/m下降到7.83m S/m，说明含Bi的Sn-0.7Cu-Zn无铅钎料合金的导电性能下降。影响金属电导率的因素有外界温度、钎料合金本身形成的相结构以及粗糙加工造成的变形。合金本身相结构以及加工工艺的粗糙度成为了制约电导率的主要因素，由于Bi本身导电导热性能较差，因此加入后和合金本身形成的金属间化合物都会使合金的电导率下降。此外随着Bi元素的增加，合金钎料的内部的结构将会发生畸变，电子散射增大，导致电导率下降[14]。相比于Sn-0.7Cu-Zn合金添加0.5%的Bi元素有助于电导率的变化，但变化并不明显。
润湿性是检验钎料焊接是否良好的一个重要指标，由于操作简单，可以直观快速评价钎料的润湿性能。润湿性实质上是将液态的金属铺展到固态的基底上实现有效的连接问题。液态的物质在自由状态时，为了其自身的稳定性，它力图永久保持一种球形的状态，但是当液体和固体在表面接触时，液体将改变其状态，这种变化取决于液体内部的内聚力以及液体对固体附着力。当内聚力大于附着力时，液体不能粘附在固体表面，因而有了球状、润湿角较大的半球状，为不润湿；当附着力大于内聚力时，液体能够粘附在固体的表面，铺展呈平面，为润湿[15]。润湿试验结果的铺展照片如图2所示。在铜铝界面上5#(Sn-Zn-0.7Cu-Bi）的润湿性相对较好，且在对比10#(Sn-Zn-0.7Cu）钎料时发现润湿过程中没有形成良好的合金层。合金焊接表面明显昏暗无光泽，这是因为在焊接过程中Zn元素产生了氧化反应，形成的氧化膜所致。Sn-0.7Cu-Zn-XBi合金在铜界面上的润湿面积相差不大且表面并没有明显缺陷，相对于在铝界面上发现6#合金呈半球状，并没有完好地铺展在铝基底的表面，因此其润湿性较差，在4#、7#、8#、10#上有明显的小孔缺陷，这可能是因为增加Bi元素含量后流动性变差，导致铺展效果不佳。图3为270℃下Sn-0.7Cu-Zn-x Bi钎料合金在铜铝板上的铺展面积比较。在铝界面Bi的含量范围在0.5%～1%时，Sn-0.7Cu-Zn钎料的铺展面积迅速上升；当添加Bi的含量超过2%后，其铺展面积呈现下降趋势。对于铜板来说，虽然增加Bi的含量使其铺展面积上下起伏，但是在Bi的含量为1%时铺展面积最大，所以综合在铜铝板上的润湿性与Sn-0.7Cu-Zn-x Bi的铺展面积对比得出，当Bi的含量为1%时钎料在铜铝板的润湿性最佳。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ge对Sn-Bi-Ag焊料合金性能的影响[J]. 滕媛,徐凤仙,严继康,吕金梅,赵玲彦,肖倩. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]四元系SnBiAgSb焊接材料合金组织与性能研究[J]. 严继康,徐凤仙,陈东东,滕媛,甘有为,吕金梅,赵玲彦,白海龙. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2018(02)
[3]一种适用于铜铝异种金属软钎焊的Sn-Cu-Zn无铅焊料合金的研究[J]. 张宇航,孙福林,周波,高瑞军,林元华,韩振峰. 热加工工艺. 2014(13)
[4]Sn-Cu系无铅钎料的研究现状与发展[J]. 史益平,薛松柏,王俭辛,顾荣海. 焊接. 2007(04)
[5]Sn-Zn-Bi无铅焊料表面张力及润湿性研究[J]. 周健,孙扬善,薛烽. 电子元件与材料. 2005(08)
硕士论文
[1]Sn-Zn-Bi合金组织控制及性能研究[D]. 张新.天津大学 2017
[2]微量Bi、Sb对Sn-3.5Ag-0.5Cu无铅钎料组织与性能的影响[D]. 罗飞.江苏科技大学 2010
本文编号：3498015
【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(17)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
Bi对Sn-0.7Cu-Zn钎料在铜铝板铺展性能的影响
作为一种综合性能良好的钎料，熔点是一个十分重要的特性。在Sn-0.7Cu-Zn三元合金中加入Bi元素后构成四元合金，由于Bi元素本身的表面活性，可以降低钎料的熔点。被测试样首先进行一次加热冷却，待冷却结晶后再进行测试，这样确保熔点的准确性。Sn-0.7Cu-Zn-x Bi合金的DSC曲线如图1所示。从图1可以观察到，Sn-0.7Cu-Zn(10#）合金的熔点为226.2℃与共晶的Sn-0.7Cu相当。Sn-0.7CuZn-(0.5～3)Bi含量的熔点分别为225.6、224.2、222.9、221.9、220.4、219.7℃，并且在整个测试温度范围内只有一个吸热峰，随着Bi元素含量的提高，四元合金钎料的固相线、液相线均有所降低，每增加0.5%的Bi元素，合金熔点平均下降约为1℃。表2为Sn-0.7Cu-Zn-x Bi钎料合金的熔化温度。从表2中可以观察到Sn-0.7Cu-Zn-x Bi钎料合金的起始温度与终止温度，表明Bi元素的添加对Sn-0.7Cu-Zn三元合金熔化过程的起始与终止温度影响较小，每增加或减小0.5wt%偏差大约为1℃。但随着钎料合金起始温度的降低，钎料合金熔化的熔程总体上呈增大趋势，由此可见添加不同含量的Bi元素等可以明显降低合金的熔点，但是由于Bi金属本身的易脆性，熔程的增大会使合金熔化时易产生糊状，从而影响液态钎料铺展时的流动性。电导率的的测试结果如表3所示。通过添加Bi元素（0.5wt%～3wt%）后，平均电导率由8.77 m S/m下降到7.83m S/m，说明含Bi的Sn-0.7Cu-Zn无铅钎料合金的导电性能下降。影响金属电导率的因素有外界温度、钎料合金本身形成的相结构以及粗糙加工造成的变形。合金本身相结构以及加工工艺的粗糙度成为了制约电导率的主要因素，由于Bi本身导电导热性能较差，因此加入后和合金本身形成的金属间化合物都会使合金的电导率下降。此外随着Bi元素的增加，合金钎料的内部的结构将会发生畸变，电子散射增大，导致电导率下降[14]。相比于Sn-0.7Cu-Zn合金添加0.5%的Bi元素有助于电导率的变化，但变化并不明显。
润湿性是检验钎料焊接是否良好的一个重要指标，由于操作简单，可以直观快速评价钎料的润湿性能。润湿性实质上是将液态的金属铺展到固态的基底上实现有效的连接问题。液态的物质在自由状态时，为了其自身的稳定性，它力图永久保持一种球形的状态，但是当液体和固体在表面接触时，液体将改变其状态，这种变化取决于液体内部的内聚力以及液体对固体附着力。当内聚力大于附着力时，液体不能粘附在固体表面，因而有了球状、润湿角较大的半球状，为不润湿；当附着力大于内聚力时，液体能够粘附在固体的表面，铺展呈平面，为润湿[15]。润湿试验结果的铺展照片如图2所示。在铜铝界面上5#(Sn-Zn-0.7Cu-Bi）的润湿性相对较好，且在对比10#(Sn-Zn-0.7Cu）钎料时发现润湿过程中没有形成良好的合金层。合金焊接表面明显昏暗无光泽，这是因为在焊接过程中Zn元素产生了氧化反应，形成的氧化膜所致。Sn-0.7Cu-Zn-XBi合金在铜界面上的润湿面积相差不大且表面并没有明显缺陷，相对于在铝界面上发现6#合金呈半球状，并没有完好地铺展在铝基底的表面，因此其润湿性较差，在4#、7#、8#、10#上有明显的小孔缺陷，这可能是因为增加Bi元素含量后流动性变差，导致铺展效果不佳。图3为270℃下Sn-0.7Cu-Zn-x Bi钎料合金在铜铝板上的铺展面积比较。在铝界面Bi的含量范围在0.5%～1%时，Sn-0.7Cu-Zn钎料的铺展面积迅速上升；当添加Bi的含量超过2%后，其铺展面积呈现下降趋势。对于铜板来说，虽然增加Bi的含量使其铺展面积上下起伏，但是在Bi的含量为1%时铺展面积最大，所以综合在铜铝板上的润湿性与Sn-0.7Cu-Zn-x Bi的铺展面积对比得出，当Bi的含量为1%时钎料在铜铝板的润湿性最佳。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ge对Sn-Bi-Ag焊料合金性能的影响[J]. 滕媛,徐凤仙,严继康,吕金梅,赵玲彦,肖倩. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]四元系SnBiAgSb焊接材料合金组织与性能研究[J]. 严继康,徐凤仙,陈东东,滕媛,甘有为,吕金梅,赵玲彦,白海龙. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2018(02)
[3]一种适用于铜铝异种金属软钎焊的Sn-Cu-Zn无铅焊料合金的研究[J]. 张宇航,孙福林,周波,高瑞军,林元华,韩振峰. 热加工工艺. 2014(13)
[4]Sn-Cu系无铅钎料的研究现状与发展[J]. 史益平,薛松柏,王俭辛,顾荣海. 焊接. 2007(04)
[5]Sn-Zn-Bi无铅焊料表面张力及润湿性研究[J]. 周健,孙扬善,薛烽. 电子元件与材料. 2005(08)
硕士论文
[1]Sn-Zn-Bi合金组织控制及性能研究[D]. 张新.天津大学 2017
[2]微量Bi、Sb对Sn-3.5Ag-0.5Cu无铅钎料组织与性能的影响[D]. 罗飞.江苏科技大学 2010
本文编号：3498015
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