Sn_Cu_Ni焊点纳米压痕试验分析

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导读：第32卷第12期2011年12月焊接学报 Vol．32December No．122011 TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION Sn-Cu-Ni焊点纳米压痕试验分析王俭辛，赖忠民，孙丹丹（江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，镇江212003）摘要：为研究金属间化合物与无铅

第32卷第12期2011年12月

焊接学报

Vol．32December

No．122011

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Sn-Cu-Ni焊点纳米压痕试验分析

王俭辛，赖忠民，孙丹丹

（江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，镇江212003）

摘

要：为研究金属间化合物与无铅焊点力学性能之间的关系，采用纳米压痕法测定

Cu-Ni焊点中金属间化合物及钎料基体的弹性模量和压痕硬度等力学性能参量．了Sn-Sn-Cu-Ni焊点中（Cu，Ni）6Sn5金属间化合物的弹性模量为113．2GPa±4．8结果表明，

GPa，Nix方压痕硬度为5．59GPa±0．32GPa，均与钎料基体有较大差异．并基于Mayo-Cu-Ni，Sn-Cu-Ni-0．05Ce和Sn-Pb钎料基体的蠕变应变速率敏感指数m法计算得到Sn-0．1248和0．1832，8．0128和分别为0．1286，蠕变应力指数n分别为7．7760，5．4585，Cu-Ni系列抗蠕变性能优于Sn-Pb钎料，表明Sn-且微量Ce元素的添加有利于Cu-Ni焊点的抗蠕变性能．提高Sn-关键词：无铅钎料；纳米压痕；弹性模量；蠕变应变速率敏感指数中图分类号：TG454

文献标识码：A

文章编号：0253－360X（2011）12－0059－

王俭辛

0序言1试验方法

20世纪末纳米压痕仪的出现，为薄膜材料的力

学性能测定提供了新方法、新途径．压痕法原本是一种用来测试材料硬度的传统试验方法，由于压痕试验设备得到了重大改进，可以连续记录压头压入材料过程中的载荷与压入深度的变化，即获得压入

——F－h曲线，载荷与压入深度之间的连续曲线—由此提出并发展了纳米压痕（nanoindentation）技术，通过分析从中获得材料的弹性模量等力学性能参

［1］［2，3］量．Mayo等人利用纳米压痕技术测定了TiO2与ZnO等材料的纳米压痕硬度、弹性模量，并通过理论计算，得到其蠕变性能参量．近年来，纳米压痕试验方法被引入到微电子焊

Ag-Cu体系上［4－8］，接领域，研究集中在Sn-得到了Sn-Ag-Cu焊点的压痕硬度、弹性模量等力学性能参Pb钎料的主要替代量．试验针对波峰焊工艺中Sn-——Sn-Cu-Ni体系展开研究，品—测试分析焊点中金属间化合物以及钎料基体的压痕硬度、弹性模量等

Nix方法研究蠕变速率敏感指数参量，并基于Mayo-及蠕变应力敏感指数等蠕变性能参量，以期为该体

系钎料的进一步推广应用提供借鉴．

收稿日期：2010－07－15

“青蓝基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目；江苏省高校

工程”科技创新团队资助项目；江苏省先进焊接技术重点实验室开放研究基金资助项目（10622011501）

Ni，Sn-Ce中间合试验选用纯锡，纯铜以及Sn-0．5Cu-0．05Ni（-0．05Ce）钎料合金，将金制备Sn-Sn-Cu-Ni（-Ce）及Sn-Pb钎料预成形，置于待钎焊部

990型红外再流焊机将0805（2．03再使用HT-位，

mm×1．27mm）型矩形片式电阻元件钎焊在印刷电

路板上．

W201S钎焊后利用SHIMADZU（岛津）的DUH-型纳米压痕仪对焊点进行压痕试验，压痕仪的压头为115°的三棱锥压头．为保证压痕试验中试样表面

平整，将待测试样进行磨平、抛光并清洗干净．在加载过程中，压头以2mN/s的速率压入材料表面，当载荷达到预先设定的最大值Fm（50mN）后保持一段时间然后卸载，对焊点中的金属化合物（Cu，Ni）6．Sn和Sn-0．5Cu-0．05Ni（-0．05Ce）钎料基体分最大载荷保持时间分别别进行多次纳米压痕试验，

为5s和3min．

2力学性能参数确定

加载和卸载的压痕过程中载荷－位移（F－h）曲

Fmax和hmax分别为最大载荷和最大线示意图见图1，

hf为卸载后的残余深度，上段卸载曲线压入深度，

的切线斜率S为弹性接触刚度，切线与坐标轴的交点位移定义为hc．

曲线可分为两部分，初始蠕变阶段和大位移阶段．在初始阶段中，开始时蠕变位移变化很快，随着时间的延长，蠕变位移的变化逐渐变慢，进入大位移阶段

蠕变位移与蠕变时间呈近似线性关系，这为物理后，

分析推导蠕变速率敏感指数提供了可能，故研究中

以满足该对钎料基体的载荷保持时间设置为3min

，分析方法的需要．

图1

Fig.1

加载及卸载过程中载荷—位移曲线

Typicalforce-displacement（F－h）curveduringloadingandunloading

从F－h曲线中可得到hc与S等重要参量，由此，弹性模量与压痕硬度可由以下关系来确定即

Fmax

（1）（2）（3）

图2压痕过程中蠕变时间—蠕变位移示意图

Fig.2Relationofcreepdeformationversusdwelltime

［4，5］

，

1Er=S2β2

11－v21－vi

=+ErEEi

对蠕变时间—蠕变位移曲线，在其后期的近似线性阶段采集数据计算得到

dd=1ε

ddt

［2－4］

式中：H为试样的压痕硬度；A为压痕的投影面积；

Er为约化的弹性模量；β为已知的压头修正系数；E和v分别为试样的弹性模量和泊松比；Ei和vi分别为已知的压头弹性模量和泊松比．压痕仪的压头为115°的三棱锥，由几何关系得到

A=26．43h

（7）

式中：d为保持阶段的压入深度，即蠕变位移；t为蠕

的关系数变时间．从而得到近似线性阶段H与ε

据，将蠕变结果表示成两者的双对数曲线，经数据拟和确定出的直线斜率即蠕变应变速率敏感指数

dlnσdlnHm=（8）=dlnεdlnε

1n=（9）

［2－4］

（4）

从而可确定试样的弹性模量E与压痕硬度H．

由于钎料的服役温度已超过其熔化温度的一半，且焊点的可靠性与钎料蠕变性能有很大关系，因而即使在室温也不得不考虑蠕变的影响．以往分析蠕变性能的方法多是采用单轴拉伸蠕变试验，这需要制备较多试样，而采用纳米压痕技术则使得在小体积钎料上研究其蠕变性能成为可能．

从载荷—位移曲线进行分析，在最大载荷Fm处保持一段时间，如压入深度继续增加则说明材料发生了蠕变，载荷保持期间的压入深度即蠕变位移．通过对F－h曲线进行研究可得到钎料的蠕变性能参量，假设蠕变特征可由以下方程表示，即

=σ+bσnε

mσ=Eε+b'ε

（5）（6）

Nix方法研究蠕变速率敏感指数及根据Mayo-蠕变应力敏感指数等蠕变性能，具有测试方法简便，而且推导结果并不受加载速度影响等优点．

3试验结果与分析

Cu-Ni焊点中的金属间化合物（Cu，对Sn-Ni）6Sn5进行了多次纳米压痕试验，图3列出了压痕过程中典型的载荷—位移曲线，从而可得到其压痕

硬度为5．59GPa±0．32GPa，弹性模量为113．2GPa±4．8GPa，Ag-Cu焊点中Cu6Sn5化合这与Sn-．物的力学性能参量相差无几

Cu-Ni，Sn-Cu-Ni-0．05Ce和Sn-图4分别为Sn-Pb钎料基体在压痕过程中的载荷—位移曲线．从Sn-Cu-Ni-0．05Ce和Sn-Pb多次测试中得到Sn-Cu-Ni，

［6，7］

或

为蠕变应变速率；m为蠕变速率敏感指数；n式中：ε

b'为材料结构相关的系数．为蠕变应力敏感指数；b，

3］

Nix方法［2，，根据Mayo-蠕变时间较长时，可得

到蠕变时间—蠕变位移的关系曲线（图2），图2中

图3

Fig.3

（Cu，Ni）6Sn5纳米压痕试验结果

Nanoindentationmeasurementfor（Cu，Ni）6Sn5

钎料基体的压痕硬度分别是159．2MPa±20．4

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