液相分散法制备Sn-58Bi焊粉及其钎焊性能研究

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Sn-58Bi作为无铅钎料的一种,因其具有较低的熔点,良好的润湿性,优良的抗拉强度与屈服强度等特点,在防雷元件、散热器等对温度敏感的元器件焊接中被广泛应用。目前制备焊粉的方法中使用频率最高的是气雾化法,但是该方法需要特殊设备,控制气氛难度大,能量转化率低,难以生产粒径小于15μm的粉末。因此本文采用了液相分散法尝试制备了粒径分布区间为130μm,平均粒径约15μm的核壳结构Sn-58Bi焊粉。将自制焊粉混合商业助焊膏配成自制Sn-58Bi焊膏后,对比了自制焊膏与商业焊膏在9组不同钎焊工艺参数下的剪切强度,着重分析了自制焊膏的焊接性、钎焊过程中金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)生长规律及接头的剪切强度的规律。最后研究了接头时效后的IMC生长规律及剪切强度规律。全文主要结论如下:采用高速机械搅拌熔融金属和分散剂的方法,可以将块状金属分散成氧化物和有机物包裹且球形度高的核壳结构微小颗粒。在液相分散过程中,有机溶剂B发挥了重大作用,其中的醚键易与前驱沉淀颗粒表面产生亲和作用,使颗粒表面更容易吸附有机溶剂B,从而形成一层高分子薄膜,呈现出强烈的空间位阻效应,减小微小金属液滴之间的吸引力,阻止液滴团聚。搅拌速率越大,搅拌时间越长,得到的焊粉平均粒径越小,粒径分布区间越窄。当搅拌速率为15000转/分钟、搅拌时间为5分钟、冷却介质为水或冰水时,获得的Sn-58Bi焊粉效果最好。制备的Sn-58Bi焊粉含氧量较低,开始熔化温度为139.43℃。液相分散法获得的Sn-58Bi焊粉表面具有一层有机物壳层,在钎焊过程中需要对焊粉施加一定压力才能将有机物壳层破坏,使已经熔化的焊粉金属能够相互连接并与基板发生界面反应实现结合。在钎焊温度分别为160℃、190℃、220℃,钎焊时间分别为10min、20min、40min共9组参数下,接头组织均由富Bi相、富Sn相和金属间化合物Cu6Sn5相组成,界面IMC厚度在0.872.62μm之间,剪切断口的断裂形式均为脆性断裂。采用自制Sn-58Bi焊膏与商业Sn-58Bi焊膏获得的接头,其剪切强度在不同钎焊时间和钎焊温度下各有优劣。自制Sn-58Bi焊膏获得的接头强度在钎焊温度为190℃,钎焊时间为10min时达到最大,为31.25MPa。自制Sn-58Bi焊膏在190℃下钎焊10min后获得的接头经1、3、5天时效后,IMC呈扇贝状,相组成为Cu6Sn5,其不平整度较大,且Bi相偏析严重。时效5天前后IMC的厚度从1.16μm生长到2.06μm,IMC厚度与时效时间的平方根满足线性关系,界面的IMC扩散系数为1.14×10-22m2/s。时效1、3、5天后的接头在剪切强度测试后,断口存在许多小平面,断裂形式均为脆性断裂。时效1天后,接头剪切强度迅速降低,剪切强度随时效时间延长先降低后略微升高,时效5天后的接头剪切强度为25.98MPa。
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