[发明专利]一种测定锡及锡合金样品中白锡转变为灰锡比例的方法

说明书

一种测定锡及锡合金样品中白锡转变为灰锡比例的方法，属于钎料低温可靠性研究技术领域。所述方法为将样品放置于恒温液体介质中测量初始体积、将样品放置于“相变低温环境”下、改变环境温度或放置时间、取出样品待升温至初始温度、将样品在此放回于恒温液体介质中、测量样品在不同温度或不同放置时间后的体积、绘制体积变化曲线、依据变化曲线监测Sn低温相变过程，如转变起始点、转变比例。本发明的优点是：通过利用Sn相变过程中灰锡与白锡的密度变化，能够有效检测样品中锡瘟的发生及灰锡转变的比例，其区别于现有的相变检测方法，具有更高的灵敏度。

技术领域

本发明属于钎料低温可靠性研究技术领域，具体涉及一种测定锡及锡合金样品中白锡转变为灰锡比例的方法。

背景技术

近年来，随着在电子工业领域中铅被禁止使用，人们纷纷研究可取代Sn-Pb焊料的无铅焊料。在此之前，Sn-Pb焊料的广泛使用并未见灰锡问题的发生，而由于被广泛使用的Sn基无铅焊料中所含合金元素的量相对较少，其含Sn量可达95%~99%以上，其成分更接近于纯锡，锡瘟的问题逐渐被重视起来，并且也有一些新的数据可以证实长期处于低温条件下，在无铅焊料中形成灰锡的风险将更大，因此锡瘟问题一直是锡及锡合金低温应用时的严重问题。

纯Sn在13℃时会发生从白色的β-Sn到灰色的α-Sn的同素异形转变。白锡具有体心四方结构，密度为7.28 g/cm³，灰锡具有金刚石结构，其密度为5.75 g/cm³。β-Sn向α-Sn转变过程中伴随有26%~27%的体积膨胀，虽然这种转换很缓慢，但转变可在较低温度下增强。当这种情况发生时，采用锡制作的工件、连接器上会观察到表面裂纹，最终发生损坏、失效。

如何检测锡及其合金中灰锡转变的发生以及转变量，对于科学研究、实际工件安全检测至关重要。基于Sn不同的理化性质，目前已经研究出了很多有用的检测Sn相变的方法：电阻法、微结构法、电气测量法、X射线衍射、SEM/EBS分析法等，但是这些方法普遍存在灵敏度较低的问题，因此一种能够显著检测Sn相变的方法亟待开发。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有Sn低温相变检测方法灵敏度低的问题，提供一种测定锡及锡合金样品中白锡转变为灰锡比例的方法，该种方法操作简单，能够显著检测早期Sn相变，从β-Sn到α-Sn的转变是相当缓慢的，过程中Sn需要成核和生长，潜伏期需要数月甚至数年完成，但是基于白锡与灰锡理化性质的不同，尤其是27%体积的变化，能够准确的检测到样品中锡瘟的发生及灰锡转变比例，这不仅有利于Sn低温相变的研究，而且对于科学研究、实际工件安全检测有重要的作用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种测定锡及锡合金样品中白锡转变为灰锡比例的方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一：制备边长为1cm的正方体锡或者锡合金样品；

步骤二：在恒温10℃的自来水中测量样品的体积；

步骤三：将样品放入高低温试验箱中，在高低温试验箱中放置10min；

步骤四：取出样品，待升温到9℃时再次放入步骤二所述的恒温10℃的自来水中测量其体积；

步骤五：再次放入高低温试验箱中，降低高低温试验箱一个温度阶梯或增加在高低温试验箱中的放置时间，一个温度梯度为10℃~30℃，放置时间每次增加10分钟；

步骤六：重复步骤三到步骤五，直到需要的最低温或最长时间，最低温为-120℃，最长时间为200小时；

步骤七：绘制不同相变低温环境的温度或处理时间与相应的样品体积曲线关系图；

步骤八：根据曲线的拐点和拐点以后曲线的斜率获知相变发生和相变比例。