不同緩蝕劑對(duì)SnAgCu焊膏焊接性能的影響

劉文勝，鄧 濤，馬運(yùn)柱

(中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410083)

不同緩蝕劑對(duì)SnAgCu焊膏焊接性能的影響

劉文勝，鄧 濤，馬運(yùn)柱

(中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410083)

通過對(duì)SnAgCu焊膏/Cu焊接界面IMC層和力學(xué)性能進(jìn)行分析，研究了助焊劑中添加咪唑類緩蝕劑A和喹啉類緩蝕劑B及其復(fù)配對(duì)SnAgCu焊膏焊接性能的影響.利用掃描電鏡(SEM)和能量色散譜儀(EDS)分別對(duì)IMC層的微觀結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)的組織成分進(jìn)行觀察和分析，采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，并通過SEM觀察其斷口形貌.研究結(jié)果表明：緩蝕劑對(duì)界面IMC層的生長(zhǎng)起到一定控制作用，不添加任何緩蝕劑時(shí)，IMC層厚度不均勻，部分呈粗大的柱狀結(jié)構(gòu)，平均厚度為7.6 μm;而添加0.5%A和0.5%B復(fù)配緩蝕劑的焊膏，IMC層最薄而且致密均勻，厚度為3.4 μm;添加0.5%A和0.5%B復(fù)配緩蝕劑的焊膏，獲得了最大的剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，其中剪切強(qiáng)度為47.92 MPa，剪切斷裂模式為韌性斷裂，抗拉強(qiáng)度為99.28 MPa，拉伸斷裂模式為脆性斷裂.

SnAgCu焊膏;助焊劑;緩蝕劑;IMC

隨著電子產(chǎn)品向微型化、薄型化、高精度化的方向發(fā)展，表面組裝技術(shù)(SMT)成為電子組裝行業(yè)里最流行的技術(shù)和工藝之一［1－3］.焊膏是SMT中不可缺少的材料，其性能直接影響焊接可靠性，決定著電子產(chǎn)品的質(zhì)量［4］.

助焊劑是焊膏的重要組成成分，其主要由溶劑、活性劑、成膜劑、表面活性劑、緩蝕劑等組成，助焊劑的不同成分發(fā)揮著特定的功用，其中，緩蝕劑的主要作用是防止助焊劑中活性物質(zhì)腐蝕焊料合金和銅襯底［5］.熔融的焊料合金與Cu襯底會(huì)形成界面IMC，界面IMC是影響焊點(diǎn)可靠性的關(guān)鍵因素，焊接過程中界面IMC迅速生長(zhǎng)，過厚的IMC導(dǎo)致焊點(diǎn)性能變差，可靠性降低［6－7］.如何控制界面IMC的生長(zhǎng)，獲得理想的焊點(diǎn)成為人們關(guān)心的熱點(diǎn)問題.以往的研究大多集中在對(duì)焊料進(jìn)行合金化、襯底表面處理［8－10］等，以達(dá)到改善IMC組織形貌的目的，而從助焊劑方面考慮解決這一問題的文獻(xiàn)報(bào)道很少.本文通過助焊劑中添加咪唑類緩蝕劑A和喹啉類緩蝕劑B對(duì)界面IMC的生長(zhǎng)起到調(diào)控作用，細(xì)化焊接界面顯微組織以獲得優(yōu)良的力學(xué)性能.研究了分別添加1%A、1%B和0.5%A+0.5%B復(fù)配的3種不同緩蝕劑體系對(duì)焊膏焊接性能的影響，并分析了相應(yīng)的影響機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

材料:Sn3.8Ag0.7Cu無鉛焊料粉(氣霧耦合法制備，粒徑在25～45 μm)，有機(jī)酸類，有機(jī)醚類，有機(jī)醇類，松香等.

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:電熱恒溫干燥箱、電子天平、北京七星天禹TYR108N－C臺(tái)式回流焊機(jī)、美國(guó)Instron3369力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、日本電子株式會(huì)社JSM－6360LV型掃描電鏡.

1.2 助焊劑和焊膏的制備

所用助焊劑為自主研制的松香型無鹵素助焊劑.該助焊劑由有機(jī)酸類活性劑，成膜劑，醚、醇助溶劑，觸變劑，表面活性劑，緩蝕劑等配置而成.助焊劑各成分見表1.

實(shí)驗(yàn)配制了4種不同助焊劑，緩蝕劑的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0、1.0%的A、1.0%的B、0.5%的A和0.5%的B復(fù)配物，其余成分不變，并依次標(biāo)號(hào)為1#、2#、3#、4#助焊劑.

表1 助焊劑成分

將配制好的4種助焊劑分別與Sn3.8Ag0.7Cu焊料粉配制成100 g焊膏，首先稱量11.5 g的助焊劑放入已清洗過的瓷坩堝中，再稱量88.5 g的焊料粉放入瓷坩堝，機(jī)械攪拌30 min，靜置至室溫，最終得到合金粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.5%的無鉛焊膏，并相應(yīng)標(biāo)記為1#、2#、3#、4#焊膏.

1.3 檢測(cè)

根據(jù)焊膏性質(zhì)設(shè)計(jì)回流焊接曲線.該曲線保溫溫度為150℃，保溫時(shí)間60 s，回流峰值溫度250℃.用SiC砂紙打磨25 mm×25 mm×0.5 mm的紫銅板，再用無水乙醇清洗去除其表面氧化膜.以手工印刷方式將所配置的4種不同焊膏通過Φ6 mm模板印刷到無氧紫銅板上，回流焊接.將銅板沿焊點(diǎn)中心縱向剪開，將其鑲成金相試樣，經(jīng)過打磨、拋光、清洗、吹干后采用90%CH3OH+ 10%HNO3(體積比)腐蝕液腐蝕焊點(diǎn)截面.采用JSM－6360LV型掃描電鏡觀察腐蝕后試樣截面IMC層形貌并采集圖樣.為了定量分析緩蝕劑對(duì)界面IMC的作用效果，對(duì)每個(gè)合金試樣在2 000倍的掃描電鏡下選擇不同的連續(xù)視野照相，然后在照片上沿任意方向隨機(jī)畫線，計(jì)算出所有明暗相間的間隔數(shù)和線的總長(zhǎng)度，根據(jù)式(1)統(tǒng)計(jì)出界面IMC的平均厚度［11］.

式中:L為線的總長(zhǎng)度;N為明暗相間的間隔數(shù);M為放大倍數(shù);I為相的粗細(xì).

剪切試驗(yàn)參照J(rèn)ISZ 3198－5無鉛釬料試驗(yàn)方法［12］，剪切試樣如圖1(a)所示，材料為紫銅板，采用搭接方式釬焊，使用Instron3369型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊料剪切性能.剪切強(qiáng)度由τ=計(jì)算得出，其中τ為剪切強(qiáng)度，N/mm2(MPa);Ps為最大剪切載荷，N;A為剪切實(shí)驗(yàn)前搭接面積，mm2.

圖1 力學(xué)試驗(yàn)試樣

拉伸試驗(yàn)參照J(rèn)IS Z 3198－5無鉛釬料試驗(yàn)方法［12］，拉伸試樣如圖1(b)所示，紫銅板采用對(duì)接的方式進(jìn)行釬焊，使用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊料拉伸性能，抗拉強(qiáng)度由σ=計(jì)算得出，其中，σ為抗拉強(qiáng)度，MPa;Ps為最大拉伸載荷，N;A為接合部面積，mm2.同時(shí)用掃描電鏡觀察剪切試樣斷口和拉伸試樣斷口形貌.

2 結(jié)果及討論

2.1 焊點(diǎn)顯微組織分析

圖2為不同焊膏所得焊點(diǎn)微觀組織的SEM照片.從圖2可以看出，焊料基體上分布著顆粒狀的二次相，其界面IMC層為扇貝狀.由EDS分析可以得出，基體由β－Sn初晶和β－Sn初晶晶界處彌散分布的顆粒狀的Ag3Sn/β－Sn共晶組成，IMC層為Cu6Sn5.

從圖2還可以看出，通過添加不同的緩蝕劑，焊點(diǎn)IMC變化明顯.如圖2(a)所示，當(dāng)不添加任何緩蝕劑時(shí)，IMC厚度不均勻，部分呈粗大的柱狀結(jié)構(gòu)，平均厚度為7.6 μm;如圖2(b)所示，當(dāng)添加1.0%A時(shí)，IMC層較均勻，平均厚度為5.9 μm，但I(xiàn)MC長(zhǎng)成鋸齒狀的粗大晶粒，且有少量微裂紋的存在;如圖2(c)所示，當(dāng)添加的1.0%的B時(shí)，IMC層厚度均勻但較厚，平均厚度為7.1 μm，IMC層由細(xì)小的晶粒堆垛而成;當(dāng)添加0.5%的A和0.5%的B的復(fù)配物時(shí)(圖2(d))，IMC層最薄，平均厚度為3.4 μm，且IMC層均勻致密.因此，相比其他3種焊膏，添加A和B復(fù)配緩蝕劑的焊膏，IMC層的生長(zhǎng)得到了很好的控制;添加單一緩蝕劑的焊膏IMC生長(zhǎng)得到一定的控制;不添加任何緩蝕劑的效果較差.

添加緩蝕劑對(duì)IMC的生長(zhǎng)起到一定的控制作用.經(jīng)分析推測(cè)其影響機(jī)理如下.

在釬焊過程中，界面IMC的生長(zhǎng)過程十分復(fù)雜，大體可分為3個(gè)階段［13－15］:反應(yīng)擴(kuò)散階段，晶界擴(kuò)散控制化合物層生長(zhǎng)階段和體擴(kuò)散控制化合物層生長(zhǎng)階段.在釬焊初期，界面IMC的形成是由反應(yīng)擴(kuò)散控制的，即釬料中的Sn或襯底中的Cu通過擴(kuò)散在相界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新相Cu6Sn5相，生長(zhǎng)速度極快.在回流中，Cu原子繼續(xù)從襯底中通過IMC層和晶界向IMC/液態(tài)焊料擴(kuò)散，并在與液態(tài)焊料相連的地方與Sn反應(yīng)形成IMC，從而增加了IMC的厚度.在扇形IMC形成后，基本由晶界擴(kuò)散控制，生長(zhǎng)速度顯著降低;隨著釬焊時(shí)間的進(jìn)一步推移，界面IMC的晶粒尺寸及界面層厚度持續(xù)增加，當(dāng)晶粒尺寸及IMC厚度達(dá)到一定程度后，體擴(kuò)散將成為IMC層生長(zhǎng)的主要控制機(jī)制，此時(shí)IMC的生長(zhǎng)速度最慢.同時(shí)，在化合物層的生長(zhǎng)過程中伴隨著溶解過程［14］，由于生長(zhǎng)速度大于溶解速度，化合物層厚度隨著釬焊時(shí)間的增加而增加，所以化合物層的厚度是由生長(zhǎng)和溶解共同作用的結(jié)果.

圖2 焊點(diǎn)界面形貌

A是Cu的一種高效緩蝕劑，其與銅反應(yīng)生成性能穩(wěn)定的不溶性聚合物沉淀膜;B能與Cu發(fā)生絡(luò)合作用，生成不溶的聚合物保護(hù)膜，A和B緩蝕劑復(fù)配，能起協(xié)同緩釋作用［16］.焊膏焊接過程中，助焊劑的活性物質(zhì)對(duì)Cu襯底的氧化膜進(jìn)行清洗，提高潤(rùn)濕性的同時(shí)也增加了襯底Cu原子的擴(kuò)散.通過A和B的復(fù)配，它們與Cu各自形成的保護(hù)膜可以互補(bǔ)，保證了襯底表面的聚合鈍化層的致密性和完整性，從而阻止或減緩了襯底Cu原子的擴(kuò)散，使得IMC的反應(yīng)擴(kuò)散階段明顯受到抑制，晶界擴(kuò)散和體擴(kuò)散階段也受到抑制，IMC的增長(zhǎng)速度降低;同時(shí)由于襯底Cu原子向液態(tài)焊料的遷移受阻，導(dǎo)致IMC/液態(tài)焊料的Cu濃度差增大，Cu6Sn5化合物層發(fā)生分解，使Cu向焊料基體中擴(kuò)散，最終獲得薄而均勻的IMC層.緩蝕劑控制IMC生長(zhǎng)的機(jī)理將在后續(xù)工作中進(jìn)行更深入的研究.

2.2 焊料合金剪切性能分析

對(duì)不同焊膏焊后各取6個(gè)試樣做剪切試驗(yàn)，取剪切強(qiáng)度的平均值，結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出，1#、2#、3#和4#焊膏的剪切強(qiáng)度呈依次增大趨勢(shì).添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的A和0.5%的B復(fù)配緩蝕劑的焊膏剪切應(yīng)力最大，為47.92 MPa;而未添加緩蝕劑、添加1.0%的A和添加1.0%的B的焊膏其剪切應(yīng)力依次為36.64、41.36和43.41 MPa.

圖3 不同焊膏平均剪切強(qiáng)度

IMC是一種硬脆化合物，且比較粗糙，呈鋸齒狀嵌入焊料內(nèi)部，在剪切過程中往往成為裂紋源，從而削弱焊接接頭的強(qiáng)度，過厚的IMC會(huì)使釬焊接頭的剪切強(qiáng)度下降，薄而連續(xù)的IMC層其性能也相應(yīng)較高［17］.對(duì)比圖2的焊點(diǎn)顯微組織可以看出，添加A和B復(fù)配緩蝕劑的焊膏其IMC層最薄，且均勻致密，剪切強(qiáng)度最高;而未添加緩蝕劑和添加A的焊膏其IMC層生長(zhǎng)成粗大的組織，剪切性能較差;添加B的焊膏，其IMC中晶粒細(xì)化作用使其剪切性能得到了一定提高.

圖4為4#焊膏試樣剪切斷口形貌，可以看出斷口存在大量的韌窩和剪切滑移帶，其主要斷裂模式為韌性斷裂.

圖4 4#膏試樣剪切斷口SEM照片

2.3 焊料合金拉伸性能分析

對(duì)不同焊膏焊后各取6個(gè)試樣做拉伸試驗(yàn)，平均拉伸強(qiáng)度如圖5所示.從圖5可以看出，1#、2#、3#和4#焊膏的抗拉強(qiáng)度亦呈增大趨勢(shì).添加0.5%的A和0.5%的B復(fù)配緩蝕劑的焊膏拉伸應(yīng)力最大，為99.28 MPa;而未添加緩蝕劑、添加1.0%A和添加1.0%B的焊膏，其剪切應(yīng)力依次為58.43和72.69、83.82 MPa.與剪切性能相似，拉伸性能與IMC層厚度、形貌密切相關(guān)，薄而均勻致密的IMC層對(duì)拉伸性能的提高很有幫助.因此，添加A和B復(fù)配緩蝕劑的焊膏，IMC層厚度最薄，組織均勻致密，表現(xiàn)出最大的抗拉強(qiáng)度.

圖5 不同焊膏平均拉伸強(qiáng)度

圖6為4#焊膏試樣拉伸斷口形貌SEM照片，可以看出，斷口齊平，色彩灰暗，存在大量的顆粒狀和細(xì)片狀的小晶面.EDS分析得出小晶面的成分為Cu6Sn5，分析認(rèn)為斷口中的小刻面是由IMC層的晶粒與基體剝離而形成，為脆性斷裂.

圖64 #焊膏試樣拉伸斷口SEM照片

3 結(jié)論

1)緩蝕劑影響焊膏界面IMC的生長(zhǎng).不添加任何緩蝕劑時(shí)，IMC組織粗大，平均厚度為7.6 μm;添加A和的B復(fù)配緩蝕劑時(shí)，IMC層最薄，為3.4 μm，且均勻致密.

2)添加A和B復(fù)配緩蝕劑的焊膏有最大的剪切強(qiáng)度，為47.92 MPa，剪切斷裂模式為韌性斷裂.

3)添加A和B復(fù)配緩蝕劑的焊膏有最大的拉伸強(qiáng)度，為99.28 MPa，拉伸斷裂以脆性斷裂為主.

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The influences of different corrosion inhibitors on weld performance of SnAgCu solder paste

LIU Wen-sheng，DENG Tao，MA Yun-zhu
(State Key Laboratory for Powder Metallurgy，Central South University，Changsha 410083，China)

The influences of adding imidazole medicament corrosion inhibitor A or KuiLin kind corrosion inhibitor B or their compound into flux on welding performance of SnAgCu solder paste were studied by analyzing SnAgCu solder paste，interfacial IMC(intermetallic compound)of Cu welding interface and mechanical properties.Scanning Electricity Microscope(SEM)and Energy Dispersive Spectrometer(EDS)were used to observe and analyze the IMC layer microstructure and the composition of solder joint.Mechanical Testing Machine was used to test the shear strength and tensile strength of solder joint，and the shear fractography was measured by SEM.The results indicate that the corrosion inhibitor controls the growth of IMC layer.The average thickness of IMC layer is 7.6 μm without corrosion inhibitor addition，the IMC layer is uneven and with some column structure.The IMC layer，by adding 0.5wt%A and 0.5wt%B，is 3.4 μm thickness，very density and uniformity，and at the same time，the greatest shear strength，47.92 MPa，and tensile strength，99.28 MPa are obtained.The shear fracture mode is gliding fracture，and the tensile fracture mode is brittle fracture.

SnAgCu solder paste;flux;corrosion inhibitor;IMC

TG178 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2012)02－0007－05

2011－04－08.

國(guó)家配套項(xiàng)目(JPPT－115－2－1057).

劉文勝(1967－)，男，博士，教授.

馬運(yùn)柱，E-mail:zhuzipm@mail.csu.edu.cn.

(編輯 呂雪梅)