微量元素Sb對(duì)BGA焊錫球內(nèi)部組織及可焊性的影響

唐 麗，孫紹福，龍登成，方 舒，黃金鑫

（1.昆明理工大學(xué)材料系，云南 昆明 650000；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械及自動(dòng)化，云南 昆明 650000）

近年，自歐盟立法限制或禁止在家用電器中使用鉛及其他幾種有害物質(zhì)以來(lái)，各種不同類(lèi)型的無(wú)鉛焊錫的研究被提上日程。目前主流的焊錫合金體為Sn-Ag-Cu系合合金，其中標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)鉛焊錫合金組成有日本的Sn-Ag3.0wt.%-Cu0.5wt.%，美國(guó)的Sn-Ag3.9wt.%-Cu0.6wt.%，及歐盟的Sn-Ag3.8wt.%-Cu0.7wt.%；而我國(guó)則普遍采用日本的Sn-Ag3.0wt.%-Cu0.5wt.%，并廣泛用于BGA焊錫球、焊錫膏等電子焊料[1]。此類(lèi)Sn-Ag3.0wt.%-Cu0.5wt.%系焊錫球因具有較好的機(jī)械特性、耐疲勞特等諸多優(yōu)點(diǎn)，但隨著國(guó)內(nèi)外電子機(jī)械部件的封裝密度及接合部件短效輕薄化的發(fā)展，對(duì)BGA焊錫球內(nèi)部結(jié)晶組織及焊接性能等各項(xiàng)綜合指標(biāo)提出了更高的要求。目前國(guó)際上公認(rèn)的Sn-Ag-Cu無(wú)鉛焊料普遍存在的問(wèn)題是焊料熔點(diǎn)高、潤(rùn)濕性差，因此添加Sb、Bi、In等微量元素，盡量使焊料的熔點(diǎn)降低并接近SnPb共晶溫度183℃，減小熔化間隔，改善其潤(rùn)濕性[2]。

本文以Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.%)三元體系合金為基礎(chǔ)，通過(guò)微量元素Sb的添加，研究對(duì)材料各項(xiàng)性能的影響，尋求適合的合金配比及工藝控制，以期降低焊料熔點(diǎn)并改善BGA焊錫球的內(nèi)部結(jié)晶組織及焊接性能。

1 BGA焊錫球的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.1 合金組成

Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.%)+Sb（x=0，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%）

略稱(chēng)：SAC305+Sb（x=0，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%）

1.1.2 合金配制

無(wú)鉛鈦錫爐配制焊料合金，容量30公斤，功率2000W，最高加熱溫度為600℃，可實(shí)現(xiàn)溫度的手動(dòng)與自動(dòng)控制。

1.1.3 BGA焊錫球成型

熔融焊料在充有氮?dú)獾拿荛]容器中，通過(guò)高頻振動(dòng)使錫液均勻的從配料口流出，于氮?dú)鈼l件下冷卻成型。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）將99.9%錫在鈦合金電爐內(nèi)加熱熔融，到達(dá)一定溫度后先后加熱純銀、SnCu10攪拌均勻后保溫，之后加入變量微量元素Sb(x=0，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%)，形成5組配比熔融合金[3]。

（2）將配制好的熔融合金直接轉(zhuǎn)入干鍋中，以合適的射球溫度與成型工藝實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)規(guī)格0.6mm的BGA焊錫球。

（3）BGA焊錫球成型后，使用相同防氧化材料、按照相同處理工藝進(jìn)行洗球及表面防氧化處理。

2 Sb的添加對(duì)BAG焊錫球焊接性能的影響

2.1 Sb的添加對(duì)熔點(diǎn)的影響

2.1.1 熔點(diǎn)試驗(yàn)

焊料合金固相線(xiàn)與固相線(xiàn)采用差式掃描量熱儀進(jìn)行測(cè)定，75ml陶瓷坩堝，樣品重量17mg～20mg，樣品干鍋內(nèi)通入氮?dú)獗Ｗo(hù)。

設(shè)定初始溫度為170℃，結(jié)束溫度為270℃，升溫速度為20℃/min，研究Sb元素對(duì)焊料合金熔點(diǎn)的影響，并與SAC305進(jìn)行比較，以確定最佳的合金成分。

2.1.2 熔點(diǎn)測(cè)試結(jié)果與分析

表1 熔點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

圖1 熔點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果

熔點(diǎn)測(cè)試結(jié)果表明：①隨著微量元素Sb的添加，對(duì)焊料合金的固相線(xiàn)溫度影響不大；②可降低五元焊料合金的液相線(xiàn)溫度，與SAC305合金液相溫度224.48℃相比，添加Sb(x=0.03%)時(shí)的焊料合金液相溫度可降至223.05℃；③添加Sb(x=0.04%)）時(shí)固相線(xiàn)與液相線(xiàn)之間的糊狀區(qū)縮小，縮小率達(dá)18%。

焊接時(shí)由于冷卻速度很大，在晶內(nèi)和晶間容易產(chǎn)生偏析。在結(jié)晶末期，低熔點(diǎn)共晶與雜質(zhì)會(huì)以液態(tài)的形式存在于晶粒之間，實(shí)際上產(chǎn)生裂縫的溫度區(qū)間僅為整個(gè)結(jié)晶區(qū)間的一部分，即固液結(jié)晶開(kāi)始至固相線(xiàn)這個(gè)溫度區(qū)間。糊狀溫度區(qū)間越大，形成熱裂的可能性越大，反之形成熱裂的可能性越小。實(shí)驗(yàn)證明，與SAC305焊料合金及五元焊料合金相比，加入微量元素Sb(x=0.03，0.04%)可降低液相線(xiàn)溫度的同時(shí)，縮短了固相液相的溫度區(qū)間，可降低熱裂的可能性。

2.2 Sb的添加對(duì)潤(rùn)濕性的影響

2.2.1 可焊性試驗(yàn)

Sb(x=0，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%)四種合金成分的BGA焊錫球分別稱(chēng)取30g在270℃下進(jìn)行可焊性試驗(yàn)；直徑5mm銅絲，浸入深度3mm，焊接時(shí)間3s；橫向?qū)Ρ炔煌辖鸪煞趾稿a球的潤(rùn)濕性。選取潤(rùn)濕時(shí)間t和最大潤(rùn)濕力Fmax作為BGA焊錫球潤(rùn)濕性能好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)測(cè)得的潤(rùn)濕性參數(shù)如下表。

表2 沾錫試驗(yàn)結(jié)果

Fmax（mN） 0.721 0.810 0.810 0.792 0.785

圖2 可焊性測(cè)試

2.2.2 可焊性試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)表明，隨著Sb含量的增加，潤(rùn)濕時(shí)間t稍有增加但基本不變，但最大潤(rùn)濕力Fmax得到較大提高，所以得出Sb(x=0.03，0.04%)時(shí)潤(rùn)濕性最佳。

圖3 潤(rùn)濕時(shí)間及最大潤(rùn)濕力

沾錫測(cè)試結(jié)果表明：①隨著Sb含量的增加，對(duì)潤(rùn)濕時(shí)間的影響不大；②隨著Sb含量的增加，最大潤(rùn)濕力得到提高、回落后基本保持不變，添加Sb(x=0.03%)時(shí)的最大潤(rùn)濕力為0.810mN，與SAC305的最大潤(rùn)濕力0.72mN相比提高了12%。

2.3 Sb的添加對(duì)鋪展率的影響

2.3.1 鋪展率試驗(yàn)

取0.3克焊錫球，Kester985M助焊劑（重量為焊錫球的2%），銅片焊接，焊接溫度270℃，焊接時(shí)間5s。

2.3.2 鋪展率試驗(yàn)結(jié)果與分析

表3 鋪展率測(cè)試結(jié)果

圖4 鋪展率測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①隨著微量元素Sb的添加，焊料合金鋪展率顯著提高，在Sb(x=0.03%)之后鋪展率呈下降趨勢(shì)；②在Sb(x=0.03%時(shí)鋪展率為75.06%，達(dá)到最佳。③過(guò)多的Sb元素易于在焊點(diǎn)表面形成氧化物，妨礙焊料在母材表面的鋪展，從而使焊料合金的潤(rùn)濕性下降，因此需要控制好Sb的添加量。

2.4 Sb的添加對(duì)金相組織與焊接強(qiáng)度的影響

2.4.1 金相試驗(yàn)

對(duì)3.2的焊接樣品切片、埋入樹(shù)脂、研磨制樣后，用蔡司金相顯微鏡觀察，BGA焊錫球的金相組織及焊接界面如圖5～圖9所示。

就電子產(chǎn)品的可靠性而言，為了形成良好的焊點(diǎn)，焊料本身的機(jī)械強(qiáng)度與焊接強(qiáng)度是至關(guān)重要的。在基礎(chǔ)材料中添加Sb(x=0.02%，0.03%，0.04%，0.05%)，將BGA焊錫球與純銅基板進(jìn)行焊接、制樣后在500倍率金相顯微鏡下進(jìn)行拍照觀察，對(duì)比不同Sb含量的焊料金相組織與焊接界面處金屬間化合物形態(tài)。

2.4.2 金相試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5 SAC305

圖6 Sb(x=0.02%)

圖7 Sb(x=0.03%)

圖8 Sb(x=0.04%)

圖9 Sb(x=0.05%)

未加微量元素Sb的焊料合金Ag3Sn呈長(zhǎng)條大塊分布，加入微量元素Sb(x=0.02%，0.03%，0.04%，0.05%)后，從金相結(jié)構(gòu)整體分布情況來(lái)看，Ag3Sn在組織內(nèi)部分布更加均勻，其中Sb(x=0.03%，0.04%，0.05%)均勻程度更為顯著，同時(shí)焊料合金的金相組織也更細(xì)小，焊料本身強(qiáng)度也越高。

當(dāng)熔融的焊料與潔凈的鍍銅基板接觸時(shí)，在界面處形成金屬間化合物。從Sn-Ag-Cu合金系的晶相組織來(lái)考慮，Sn-Ag-Cu合金系無(wú)鉛焊料的組織是在Sn基體上彌散分布著Ag3Sn以及一些粗大的Cu6Sn5；添加元素Sb可抑制界面處Cu6Sn5的生成，并擴(kuò)大Ag在基體上的彌散效應(yīng)，從而細(xì)化焊料合金的內(nèi)部金相組織；當(dāng)加入元素Sb(x=0.04%)時(shí)，焊接界面處Cu6Sn5的金屬間化合物最薄且連續(xù)分布，其焊接強(qiáng)度也越高。

3 結(jié)論

（1）Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.%)中添加元素Sb的四元焊料合金為非共晶材料，在不同溫度下會(huì)形成不同的微觀金相組織，這要求對(duì)合金成分間要有極其精確的平衡，同時(shí)冶煉溫度、回流焊的溫度要求也比較高，實(shí)驗(yàn)證明可通過(guò)對(duì)合金配制與成型工藝的嚴(yán)格控制得以實(shí)現(xiàn)。

（2）適量的元素Sb（x=0.04%）的添加可加強(qiáng)Ag在基體中的彌散強(qiáng)化效應(yīng)，抑制焊接界面處Cu6Sn5的生長(zhǎng)，細(xì)化焊料合金內(nèi)部晶粒，提高焊料本身與焊接界面處的機(jī)械強(qiáng)度。

（3）適量的元素Sb（x=0.03，0.04%）的添加，有利于降低焊料合金的液相熔點(diǎn)、提高焊料合金的潤(rùn)濕性與鋪展率，但過(guò)多的Sb元素易于在焊點(diǎn)表面形成氧化物，從而使焊料合金的潤(rùn)濕性下降，因此需要控制好元素Sb的添加量。