淺談低Ag系Sn—Ag—Cu焊料的發(fā)展

田華存

摘 要：電子產品中Pb污染問題使得研究人員開始尋找Sn-Pb焊料的替代品，探索一種新型的零污染、低成本的電子封裝合金。Sn-Ag-Cu合金被認為是最有發(fā)展前景的無鉛焊料。但Ag屬于貴金屬，成本較高，故發(fā)展低Ag系無鉛釬料成為了研究熱點。本文介紹了低Ag系Sn-Ag-Cu焊料的發(fā)展現(xiàn)狀，通過摻雜微量元素來改善合金的力學性能、顯微組織、潤濕性、可靠性、抗跌落性等。

關鍵詞：無鉛焊料；低Ag系Sn-Ag-Cu焊料；抗跌落性能

中圖分類號：TH17 文獻標識碼：A

0.引言

長期以來，錫鉛合金由于其優(yōu)異的性能在電子產品的PCB加工、封裝中應用十分廣泛。但隨著社會發(fā)展，人們逐漸意識到鉛及其化合物對環(huán)境的污染性及對人體的危害性。美國環(huán)境保護署也已經將鉛及其化合物定性為17種嚴重危害人類壽命與自然環(huán)境的化學物質之一。自2006年7月1日歐盟實施無鉛化以來，中國、日本和美國等也相繼頒布了禁止使用鉛及其化學物的法令。因此“無鉛釬料”逐漸成為全球研究熱點。

Sn-Ag-Cu（SAC）焊料是最常用的無鉛焊料。目前認可度最高的是日本JEITA推薦使用的SAC305（Sn-3.0Ag-0.5Cu）合金。高Ag系無鉛焊料在實際生產應用中存在諸多缺陷：

（1）Ag的價格較高，高Ag系SAC合金的成本要比普通Sn-Pb焊料高2～3倍。

（ 2）由于β-Sn 過冷度較大，焊料在凝固過程中會形成粗大的脆性板條狀Ag3Sn，在使用過程中進一步粗化，導致焊料抗沖擊性及可靠性降低。

（3）高Ag系SAC合金焊點的抗跌落性差。由于高Ag系SAC的成本高、抗跌落性差，低Ag系SAC合金成為新的研究熱點。

1.低Ag系SAC合金與高Ag系SAC合金性能對比

王強翔等人通過以SAC105（Sn-1.0Ag-0.5Cu）、SAC0-

307（Sn-0.3Ag-0.7Cu）為代表的低銀無鉛焊料與高銀無鉛焊料（SAC305）對比，對低Ag系SAC合金的綜合性能進行了研究。結果表明：

（1）低銀SAC的潤濕性稍劣于高銀SAC，熔點也略高。

（2）常溫下低銀SAC拉伸強度略低于高銀SAC，但其延伸率優(yōu)于高銀SAC。

（3）低銀SAC的抗跌落性能明顯優(yōu)于高銀SAC。

（4）低銀SAC溫度循環(huán)試驗表現(xiàn)不如高銀SAC。

（5）老化后的低銀SAC和高銀SAC的強度及焊點溫度循環(huán)特征壽命都有所下降，下降幅度相差不大?？梢钥闯?，低銀SAC的整體性能與備受推崇的SAC305差別不大，但使用成本大幅降低，抗跌落性能優(yōu)異，為了盡快探索出適應市場需求的新型無鉛焊料，研究者們通過添加合金元素（Bi、Ni、Mn、Co、Ce等）來進一步改善低銀無鉛焊料的性能。

2.添加Bi、Ni對低Ag系SAC合金的影響

廣州有色金屬研究院的張宇鵬等人研究了Bi、Ni摻雜的低Ag SAC無鉛焊料的性能。結果表明，Bi元素可以完全固溶入β-Sn，降低合金熔點，Ni元素固溶度低（小于0.005%），則提高合金熔點。Bi、Ni 摻雜可以有效改善合金潤濕性， 與SAC305相當。劉曉剛等人[3]的研究表明，在SAC0307焊料中摻雜Ni，可以提高合金力學性能、細化組織和改善潤濕性。主要原因是Ni元素可抑制Sn枝晶的生長，使焊料凝固時，Cu6Sn5微粒與Sn共晶組織分布更細化均勻，并改變界面金屬間化合物的晶體結構，抑制界面脆性相生長，提高強度和韌性。

3.添加Mn對低Ag系SAC合金的的影響

美國銦公司在SAC105的基礎上，加入微量的Mn，形成SAC105+Mn（0.02-0.05%）新的低銀組成無鉛焊料體系。Mn的添加可以穩(wěn)定焊點顯微結構，不發(fā)生老化，因此該體系具有很好的高-低溫熱循環(huán)性能和抗跌落性能。華南理工大學的潘英才等人研究表明，Mn摻雜SAC0307可以顯著抑制焊點界面IMC層生長，提高合金焊點的拉伸強度、剪切強度及抗老化性能。Mn含量為0.05%時，焊點的拉伸強度和剪切強度取得最大值。

4.添加Co對低Ag系SAC合金的的影響

樊融融等人研究了微量Co摻雜的低Ag系SAC焊料合金的改性機理。共晶SAC焊料合金的金相組織中，Ag3Sn微結晶呈現(xiàn)出很長的纖維狀組織，而作為共晶組織的另一部分的Cu6Sn5相更多的是以塊狀（多小平面）顆粒出現(xiàn)的，它是摻混在Sn初晶之中，它們共同構成SAC共晶金相組織外觀，如圖1所示。在凝固中，多小平面的Cu6Sn5不能與非多小平面的Sn晶相很好的協(xié)調生長，而添加微量元素Co，能提高液相中Cu6Sn5相形核，抑制多小平面顆粒的過度生長，使得共晶組織的體積分數(shù)更大，組織中的片層更加微小。此外，Co摻雜可以提高改善合金的抗氧化性、潤濕性和強度，焊接時能在接合界面上形成（Cu， Co）6Sn5 IMC層，能抑制Cu的過量擴散，從而提高了接合的耐久性，延緩了焊點可靠性的蛻變過程，增長了產品的壽命期。

5.加入稀土元素Ce對低Ag系SAC合金的的影響

國際錫研究協(xié)會的Nick Hoo等人[6]研究了摻雜0.02 wt.%Ce對SAC0307合金性能的影響。結果顯示：

（1）Ce的添加使得SAC0307合金的液相線溫度降低了7.8℃，可SAC305用于PCB生產。

（2）Ce的添加不僅抑制了枝晶的形成，同時降低了枝晶間收縮造成的高孔隙率，對接頭表面焊后顯微組織具有明顯改善。

（3）相同熱疲勞條件下，SAC0307+Ce焊料合金擁有可緩解疲勞裂紋生長的顯微組織特征。

6.展望與結論

高昂及波動的價格使高Ag含量無鉛焊料的生產成本居高不下，探索低Ag含量且產品需求性能滿足要求的低Ag無鉛焊料成為市場發(fā)展的必然趨勢。低Ag含量SAC合金相對于高Ag含量SAC合金具有成本低，抗跌落性能好等優(yōu)勢，并可通過微量摻雜Bi、Ni、Mn、Co、Ce等元素來進一步改善合金的力學性能、顯微組織及潤濕性，并一定程度上提高合金的可靠性及抗跌落性。

參考文獻

[1]王強翔，胡雅婷，柴駪，等.低銀無鉛焊料性能與可靠性研究進展[J].電子工藝技術，2013，34（5）：253-257.

[2]張宇鵬，萬忠華，許磊，等.元素摻雜的低銀SAC無鉛釬料綜合性能研究[J].材料工程，2010（10）：100-104.

[3]劉曉剛. SnAgCu無鉛焊料中Ni元素添加對組織性能影響研究[J].浙江冶金，2013（3）：37-39.

[4]潘英才.錳摻雜對無鉛焊料 Sn-0.3Ag-0.7Cu 界面反應及力學性能的影響[D].廣州：華南理工大學，2014：1-55.

[5]樊融融，劉哲，邱華盛，等.微量Co對第二代低銀SAC焊料合金改性機理研究[J].電子工藝技術，2011，32（6）：330-334.

[6]Nick Hoo， Jeremy Pearce.稀土元素對Sn-Ag-Cu基低銀釬料接頭可靠性的影響[J].電子工藝技術，2012，33（5）：268-271.