一種新型無鉛焊膏抗冷熱循環(huán)性能

張琦 孫鳳蓮

摘要：對一種新型低銀SnAgCuBiNi（SACBN07）焊膏與市場上的SAC305焊膏進行抗冷熱循環(huán)性能對比分析。比較冷熱循環(huán)前后的微焊點的剪切強度和納米壓痕硬度、分析微量元素對界面組織以及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：由于SACBN07中Bi元素的固溶強化和彌散強化的作用，冷熱循環(huán)前SACBN07剪切強度和納米壓痕硬度值高于SAC305，SACBN07的剪切強度和體釬料的納米壓痕硬度受冷熱循環(huán)影響較小，經(jīng)過600h冷熱循環(huán)后SACBN07焊點硬度降低了174%，剪切強度降低了153%，而SAC305焊點硬度降低了313%，剪切強度降低了23%。SACBN07中Ni元素的加入減緩了界面化合物的生長速度，經(jīng)過600h冷熱循環(huán)后SACBN07焊點界面IMC層厚度小于SAC305焊點。SACBN07的抗冷熱循環(huán)性能優(yōu)于SAC305。

關(guān)鍵詞：

無鉛焊膏;冷熱循環(huán);剪切強度;硬度

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.022

中圖分類號： TG42

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）05-0130-04

Abstract：The performance of resistance to hot and cold cycle of a new low silver solder paste SnAgCuBiNi （SACBN07） and SAC305 solder paste on the market were compared and analyzed The shear strength and nanohardness of micro solder joints before and after hot and cold cycles were compared， and the effect of trace elements on the microstructure of the interface and mechanical properties was analyzed The results show that the shear strength and nanoindentation hardness of SACBN07 are higher than that of SAC305 due to the solid solution strengthening and dispersion strengthening of Bi element in SACBN07 Because of the shear strength of SACBN07 and the nanoindentation hardness of bulk solder affected little by hot and cold cycles， the hardness of solder joint is reduced by 174% and the shear strength is decreased by 153% on the SACBN07 solder joint after 600h hot and cold cycle， while the SAC305 solder hardness decreased by 313%， the shear strength decreased by 23%The Ni element added in SACBN07 solder paste slows down the growth rate of the interfacial compound， and the thickness of the IMC layer on the SACBN07 solder joint is less than that of SAC305 solder joint after 600h hot and cold cycle In a word， we get that the performance of SACBN07 solder paste is better than that of SAC305 solder paste

Keywords：leadfree solder paste; hot and cold cycle; shear strength; hardness

0序言

近年來電子產(chǎn)品朝著性能更優(yōu)良、更小型化的方向發(fā)展，輸入/輸出（I/O）端口越來越密集，使得焊點數(shù)量越來越多、尺寸越來越小，對電子元器件的組裝技術(shù)提出了更高的要求。[1]并且電子器件在服役的條件下環(huán)境溫度難以避免的發(fā)生著變化，元器件在頻繁的周期性的熱循環(huán)條件下工作時容易造成印刷電路板、釬料和元器件之間由于熱膨脹系數(shù)差異較大導(dǎo)致焊點內(nèi)裂紋的生長和擴展，致使強度降低[2-3]。隨著世界范圍內(nèi)的禁鉛，在無鉛釬料系列中，SAC305釬料市場應(yīng)用最為廣泛[4]。但由于Ag的價格昂貴而且Ag含量過高在釬料中會生成大片的Ag3Sn使釬料可靠性降低[5-6]。本文以一種新型低銀釬料SACBN07（Sn07Ag05Cu+BiNi）和某助焊劑混合制備的錫膏作為研究對象，通過與市場上廣泛應(yīng)用的SAC305錫膏作對比，研究了冷熱循環(huán)對釬料的剪切強度和納米壓痕硬度的影響，分析了影響力學(xué)性能的微觀機理。為這種新型無鉛焊膏的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1實驗材料及試驗方法

SACBN07選用原材料為純度大于999%的錫、銅，銀、鉍及鎳，按比例熔煉成合金，再加工成粒度大小為25～45μm的釬料粉末其中Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%;助焊劑選用市場上應(yīng)用較好的某助焊劑，經(jīng)過多次混合調(diào)整總結(jié)出印刷性能良好的比例，并用次比例來混合成膏，來對比市場上成品SAC305焊膏。

采用SMT模板印刷的方式將錫膏印刷到銅盤直徑為300μm的PCB板上，然后進行回流焊，焊接時間為315s，最高回流溫度255±5℃?；亓骱盖€見圖1

采用德國富奇公司生產(chǎn)的冷熱循環(huán)試驗箱進行冷熱循環(huán)實驗。冷熱循環(huán)試驗參數(shù)按照J(rèn)ESD22A104D標(biāo)準(zhǔn)：試驗溫度-40～125℃，高、低溫保溫時間均為15min，循環(huán)周期為120min。

利用PTR1100型結(jié)合強度測試儀對微焊點進行剪切試驗，本實驗設(shè)定的剪切速度為005mm/s，剪切行程05mm，剪切高度20μm。每組剪切20個微焊點取平均值。剪切實驗后利用掃描電子顯微鏡對焊點斷口形貌進行冷熱循環(huán)前后焊點的失效分析。

由日本島津公司的納米壓痕儀來對體釬料微區(qū)硬度的測量。設(shè)定的加載力為10mN，加載速率為075mN/s，保載時間為5s，硬度取10次測量的平均值。

2實驗與結(jié)果分析

21冷熱循環(huán)對焊點界面IMC層厚度的影響

SACBN07錫膏和SAC305錫膏冷熱循環(huán)600h前后的焊點界面掃描電鏡圖片，如圖2、圖3所示

將不同的冷熱循環(huán)時間后焊點接頭的掃描圖片，運用AutoCAD軟件測量界面面積及界面層的長度，測量出的面積除以長度得出界面化合物的平均厚度。如圖4所示，

回流焊后SACBN07焊點的界面處長出比較整齊的扇貝狀化合物，經(jīng)EDS分析為（Cu，Ni）6Sn5，而SAC305回流焊后出現(xiàn)柱狀的Cu6Sn5化合物。隨著冷熱循環(huán)時間的延長，兩種釬料界面化合物厚度均有所增加，IMC形貌逐漸趨于平緩。但是SACBN07的IMC增長速率要慢于SAC305。經(jīng)過600h冷熱循環(huán)后，SAC305的厚度約為62μm，SACBN07為52μm，SACBN07化合物層厚度比SAC305低161%。相對高銀材料低銀釬料對Cu的溶解度相對更高，但由于SACBN07釬料中含有Bi、Ni元素，由于Bi原子在Sn的固溶而降低了Cu、Sn原子間的擴散速率，減緩了Cu和Sn間化合物的生長速率[9]，而且SnAgCu與Cu基板在釬焊過程中產(chǎn)生自由能低的Cu6Sn5，而Ni的加入形成需要驅(qū)動力較大的（Cu，Ni）6Sn5進展緩慢[7，8]有效的減緩了界面化合物的生長。

22冷熱循環(huán)對焊點剪切性能的影響

冷熱循環(huán)周期對焊點的剪切性能影響很大，由于焊點與銅盤之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，在溫度變化的過程中，熱膨脹系數(shù)不同會導(dǎo)致焊點與焊盤之間產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力 [10]。將在冷熱循環(huán)爐里循環(huán)不同時間下的6組式樣和未時效的式樣，分別在PTR1100型結(jié)合強度測試儀9上進行剪切實驗，焊點剪切強度采用計算公式

Rτ=F/S

Rτ為接頭抗剪強度，MPa;F為接頭破壞載荷，N;S為接頭破壞前的搭接面積，mm2。試驗中剪切力由PTR1100型結(jié)合強度測試儀直接顯示出，剪切搭接面為直徑300μm的圓形焊盤。圖5 所示 為冷熱循環(huán)不同時間下兩種錫膏的焊點剪切強度隨時間變化圖。

觀察剪切強度可以看出，兩種焊膏焊點的剪切強度都隨冷熱循環(huán)時間的延長而不同程度上的減小。SACBN7焊點時效初期剪切強度變化不明顯，表現(xiàn)出相當(dāng)好的可焊性，100h后剪切強度逐漸下降，趨勢較為平緩，在冷熱循環(huán)600h后，焊點的剪切強度較未時效時降低了153%。SAC305焊點在冷熱循環(huán)過程中下降速度相對較快，到600h后，剪切強度下降了23%。之后兩種焊膏隨著冷熱循環(huán)時間的繼續(xù)延長，剪切性能降低的速度逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上所述，冷熱循環(huán)后兩種錫膏焊點剪切強度均有所降低，因隨著冷熱循環(huán)時間的增加焊點的晶粒粗化，且界面的脆性金屬化合物增厚，導(dǎo)致焊點剪切強度降低。冷熱循環(huán)前后SACBN07的抗剪切性能均優(yōu)于SAC305。冷熱循環(huán)600h后SACBN07焊點的平均剪切強度為707MPa，SAC305為485MPa，SAC305剪切強度較SACBN07低314%，是由于SACBN07中加入了Ni元素，Ni元素不僅可以減緩IMC的生長還可以細化晶粒，起到細晶強化的作用，而Bi在Sn中的固溶強化和彌散強化增加了焊點的硬度使抗剪切強度增強。

23冷熱循環(huán)對焊點硬度的影響

納米壓痕測試法是測量微焊點力學(xué)性能的主要手段 [11-12]。體釬料的硬度值隨著冷熱循環(huán)時間的增加變化如6所示。結(jié)果表明：體釬料的硬度值隨著冷熱循環(huán)時間的增加而成下降趨勢。 冷熱循環(huán)過程中焊點在周期性的應(yīng)力和高低溫共同作用下，Sn晶粗化，焊點內(nèi)的IMC長大并粗化，從而導(dǎo)致體釬料硬度值變低。而冷熱循環(huán)600小時后，SACBN07體釬料硬度與實驗前的相比降低了174%，SAC305與實驗前相比降低了313%，SACBN07的軟化程度小于SAC305，主要是由于Bi元素的加入使得釬料合金的顯微硬度值增加，因為在冷熱循環(huán)過程中添加的Bi元素一部分溶解于Sn中起到固溶強化的作用，一部分會以單質(zhì)的形式析出阻礙晶粒的長大，細化機體組織，起到彌散強化的作用 [13]。因此焊點的硬度變化不明顯。

本文以化合物的厚度、剪切強度、硬度納米壓痕硬度來檢驗對比錫膏的冷熱循環(huán)性能，結(jié)果是SACBN07焊膏相對于SAC305焊膏的性能差別并不明顯。因為SACBN07中的銀含量低于SAC305，其成本更低廉，因此SACBN07新型焊膏具有廣闊的潛在市場。

3結(jié)論

1）SAC305焊點與SACBN07焊點的抗剪切強度和納米壓痕硬度都隨著冷熱循環(huán)時間的增加而降低。

2）由于Bi、Ni元素的添加抑制了IMC的生長，經(jīng)過600h冷熱循環(huán)后SACBN07焊點界面化合物層厚度比SAC305低16%，SACBN07界面化合物生長速率更小。

3）冷熱循環(huán)前后SACBN07焊膏的剪切強度和體釬料硬度都高于SAC305焊膏。由于Bi、Ni的作用，低銀焊膏SACBN07的力學(xué)性能更好，尤其是Bi元素在冷熱循環(huán)過程中起到固溶強化和彌散強化的作用，緩解冷熱循環(huán)帶來的周期性的應(yīng)力應(yīng)變，使得其抗冷熱循環(huán)性能優(yōu)于SAC305焊膏。

參 考 文 獻：

[1]ZHANG L，WANG Z G，SHANG J K Currentinduced Weakening of Sn3 5Ag0 7Cu Pbfree Solder Joints[J] Scripta Materialia，2007，56（ 5） ： 381-384

[2]SHIRAZI A， VARVANIFARAHANI A， LU H Comparative Study on Stress Strain Hysteresis Response of SAC Solder Joints Under Thermal Cycles [J] International Journal Of Fracture， 2008， 151：135-150

[3]HAN Y D， JING H Y， NAI S M L， et al Temperature Dependence of Creep and Hardness of SnAgCu lead Free Solder [J] Journal of Electronic Materials， 2010， 39（2）：223-229

[4]ANDERSON I E Development of Sn Ag Cu and Sn Ag Cu X Alloysfor Pbfree Electronic Solder Applications[J]Journal of Materials Science： Materials in Electronics，2007（18）： 55-76

[5]TERASHIMA S， KARIYA Y， HOSOI T， et al Effect of Silver Content on Thermal Fatigue Life of SnxAg05Cu Flipchip Interconnects [J] Journal of Electronic Materials， 2003， 32（12）： 1527-1533

[6]劉洋， 孫鳳蓮， 劉洋， 等. Ag 元素含量對 SnAgCu 釬料焊接性的影響[J] 焊接學(xué)報，2011，32（4） ： 25-28.

[7]ZRIBI A， CLARK A， ZAVALIJ L， et al The Growth of Intermetallic Compounds at SnAgCu Solder/Cu and SnAgCu Solder/Ni Interfaces and the Associated Evolution of the Solder Microstructure [J] Journal of Electronic Materials， 2001， 30（6）：1157-1164

[8]CHENG H K， HUANG C W， et al Interfacial Reactions Between Cu and SnAgCu solder doped with minor Ni [J] Journal of Alloys and Compounds ，2015， 622（2）：529- 534

[9]戚琳 Bi對SnAgCu無鉛釬料合金及接頭組織和性能的影響[D] 大連理工大學(xué)， 2004

[10]華彤，俞宏坤，等BGA封裝中含Bi，Ni的無鉛焊球剪切強度研究[J]復(fù)旦學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2006， 45（4）：489- 494

[11]HAN Y D，JING H Y，NAI S M L， et al Temperature Dependence of Creep and Hardness of SnAgCu LeadFree Solder [J] Jounal of Electronic Materials， 2010， 39（2）： 223-224

[12]劉學(xué) SnAgCuCe 無鉛焊點界面行為及微觀力學(xué)性能哈爾濱[D] 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)， 2011： 1-2

[13]王麗鳳，孫鳳蓮，劉曉晶 SnAgCuBi釬料合金設(shè)計與組織性能分析[J]焊接學(xué)報，2008，29（7）： 9- 12

（編輯：王萍）