納米顆粒對(duì)倒裝芯片焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響綜述

張 城，翟鑫夢(mèng)，陳 躍，李月鋒，鄒 軍，石明明，楊波波，蘇曉鋒，楊雪舟，錢 麒

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，上海 201418；2.煙臺(tái)華創(chuàng)智能裝備有限公司，山東 煙臺(tái) 264006；3.寧波朗格照明電器有限公司，浙江 寧波 315300；4.惠創(chuàng)科技(臺(tái)州)有限公司，浙江 臺(tái)州 318050)

引言

高功率發(fā)光二極管 (HP-LED) 作為固態(tài)光源是下一代照明應(yīng)用的有希望的候選者。LED具有長(zhǎng)壽命、低功耗、低成本等優(yōu)良特性，可覆蓋汽車指示燈、液晶顯示面板背光源、全彩顯示、家居照明、交通信號(hào)燈和普通照明等多種應(yīng)用領(lǐng)域。由于更好的能源效率、環(huán)保、低紫外線輻射、小尺寸和易于控制，它還具有取代基于燈的光源的巨大潛力[1-5]。此外，LED 有可能用于從零維照明(點(diǎn)尺度照明)到一維(線尺度照明)再到二維(區(qū)域尺度照明等局部調(diào)光)和三維照明的不同設(shè)計(jì)中(使用顏色組合進(jìn)行顏色調(diào)光)。倒裝LED芯片克服[1]了正裝LED芯片的不足，提高了LED器件的可靠性和使用壽命。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，焊接工藝是倒裝芯片封裝過程中的關(guān)鍵步驟，倒裝LED芯片互連界面的可靠性被認(rèn)為是最重要的可靠性問題之一[6-10]。

電子封裝是當(dāng)前用于實(shí)現(xiàn)任何基于電子功能的應(yīng)用的制造工藝。封裝系統(tǒng)為元件與印刷電路板 (PCB) 之間的電子互連提供了媒介。用于將芯片/元件與 PCB 連接的工藝是通過焊接，即多年前首次實(shí)施。焊接被確定為電子封裝行業(yè)的冶金連接方法，它使用熔點(diǎn)為 425 ℃ 的填充金屬，即焊料。近幾十年來，現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展對(duì)電子產(chǎn)品提出了更高的要求。雖然鉛合金廣泛用于電子封裝行業(yè)，但環(huán)境問題對(duì)替代焊料的開發(fā)具有很大的推動(dòng)作用。目前，無鉛焊料獲得了快速發(fā)展的機(jī)會(huì)，尤其是那些基于錫共晶合金的焊料[11]。對(duì)高性能電子產(chǎn)品的需求和最近的小型化趨勢(shì)已經(jīng)出現(xiàn)了具有高魯棒性和穩(wěn)定性的新材料。因此，提高薄基焊料合金的機(jī)械和物理性能已成為許多近期研究的主題。Sn-Ag-Cu (SAC) 三元共晶合金在其他無鉛焊料中特別受到關(guān)注[12-15]。同時(shí)，對(duì)高質(zhì)量電子設(shè)備的高要求和最近的小型化趨勢(shì)需要具有高魯棒性和穩(wěn)定性的新型互連材料。由于焊點(diǎn)在使用過程中可能會(huì)經(jīng)歷接近傳統(tǒng)焊料熔化溫度的溫度，因此應(yīng)改善焊料的物理和機(jī)械性能。要成功成為良好的焊料，應(yīng)滿足幾個(gè)特性，以及在使用過程中承受壓力的能力和長(zhǎng)期使用的可靠性。諸如明確的微觀結(jié)構(gòu)、適當(dāng)?shù)娜刍瘻囟鹊?，潤濕性和機(jī)械性能是新型焊料的主要關(guān)注點(diǎn)。無鉛焊料的機(jī)械性能在使用壽命期間必須可靠，以確保電子元件功能的可靠性和完整性。因此，隨后在這里，焊料不應(yīng)只滿足環(huán)境問題。與微觀結(jié)構(gòu)演變相關(guān)的是由于焊料合金和基板之間的相互作用而形成的 IMC。IMC 對(duì)于在長(zhǎng)期使用期間提供更好的接頭可靠性很重要。所有這些因素對(duì)于生產(chǎn)可用于電子封裝的焊料合金至關(guān)重要[16-18]。

研究人員在SAC焊膏中增強(qiáng)了各種摻雜劑，例如Mn，Ti，Y，Bi，Ce，Ni，Co，Pt，F(xiàn)e，Zn，Ni，Sb，Al和稀土Yb，以增強(qiáng)其互連可靠性。這些合金元素的添加導(dǎo)致了最先進(jìn)的無鉛復(fù)合錫膏的明顯變化，特別是在界面金屬間化合物(IMC)和固化過程上。Laurila等[19]基于通過熱力學(xué)-動(dòng)力學(xué)方法對(duì)IMC的反應(yīng)性，將合金元素分為兩個(gè)不同的類別。第一組中的元素是Ni，Au，Sb，In，Co，Pt，Pd和Zn，它們參與界面反應(yīng)機(jī)理。但是，Bi，Ag，F(xiàn)e，Al，P，稀土元素，Ti和S被丟入第二組，它們?cè)贗MC形成場(chǎng)景中充當(dāng)“催化劑”，并且不參與反應(yīng)過程。Xia等[20]發(fā)現(xiàn)向純錫中添加Ag，Bi和稀土元素分別降低了IMCs的生長(zhǎng)速率和將拉伸強(qiáng)度提高了40%～50%。將諸如0.2 wt.%的Zn等微細(xì)顆粒添加到Sn基焊料中，以減少在Cu6Sn5/Cu襯底之間的Cu3Sn層上形成空隙。合金元素的添加不應(yīng)超過限制，以免降低可靠性。如果將Ni和Co元素增強(qiáng)到SAC中的含量超過0.1 wt.%，則跌落試驗(yàn)性能會(huì)失敗。對(duì)于IMC的整體考慮，焊膏的強(qiáng)度和失效對(duì)于可靠性問題非常重要。作為SAC合金尺寸添加到Sn基焊料中的均勻新粒徑增強(qiáng)劑，在IMC層形成反應(yīng)中需要更多的能量和空間，并且粘度也急劇增加。因此，研究人員集中于增強(qiáng)Sn基焊料中的納米顆粒以增強(qiáng)互連的界面穩(wěn)定性。

可以看出，先前已經(jīng)有許多人士對(duì)無鉛焊料的可靠性進(jìn)行了分析與研究(表1)。納米顆粒的物理特性廣泛影響納米復(fù)合焊膏的性能。本文綜述了近年來對(duì) SnAgCu復(fù)合焊料合金的研究，并介紹了納米顆粒對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、潤濕性和可靠性的影響。分析總結(jié)了納米粒子強(qiáng)化的機(jī)理。此外，還討論了納米顆粒增強(qiáng)無鉛焊料的不足和未來發(fā)展趨勢(shì)，希望為這些復(fù)合焊料在封裝中的應(yīng)用提供一定的理論參考。

表1 無鉛焊膏(SAC305)以往的研究成果Table 1 Previous research results of lead-free solder paste (SAC305)

1 納米復(fù)合焊層的微觀結(jié)構(gòu)

在焊接過程中，微觀結(jié)構(gòu)評(píng)估對(duì)于評(píng)估SAC焊料的強(qiáng)化效果至關(guān)重要。微觀結(jié)構(gòu)作為觀察的初始屬性，以顯示如何提供更好的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的精細(xì)、清晰或分布的形態(tài)對(duì)于更好地加強(qiáng)焊縫非常重要。均勻的微觀結(jié)構(gòu)確保了良好和牢固的結(jié)合，這也有助于焊接接頭的可靠性。因此，影響其強(qiáng)度的最重要方面是焊料合金的微觀結(jié)構(gòu)。在SAC焊料體系中，焊料的微觀結(jié)構(gòu)主要包括初級(jí)錫晶粒、共晶結(jié)構(gòu)顆粒和金屬間化合物(IMC)顆粒[22]。在凝固過程中將產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力，然后發(fā)生錫成核。隨后是剩余熔融焊料中錫樹突的生長(zhǎng)。同時(shí)，樹晶結(jié)構(gòu)的形成取決于砷和銅的含量。在共突相中，錫樹突的形成時(shí)間將早于錫基質(zhì)，而在錫基質(zhì)中，樹突生長(zhǎng)迅速，形成一個(gè)大的樹突狀結(jié)構(gòu)。

1.1 復(fù)合焊點(diǎn)的IMC層厚度

在焊接過程中，存在界面層，它由 IMC 根據(jù)焊料中元素的反應(yīng)定義。當(dāng)熔化的焊料合金與基材發(fā)生反應(yīng)時(shí)，界面會(huì)發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)的產(chǎn)物就是金屬間化合物。最好使用薄的 IMC 層，因?yàn)樗鼤?huì)在界面處產(chǎn)生強(qiáng)鍵合。這種 IMC 對(duì)于增強(qiáng)服役期間的聯(lián)合強(qiáng)度至關(guān)重要。SAC焊點(diǎn)的重要特征(包括金屬間化合物(IMC)層的微觀結(jié)構(gòu)和厚度)降低了焊點(diǎn)的可靠性。IMC層的最初形成是由元素在基板和焊料之間的溶解決定的，而IMC層的生長(zhǎng)則由可以熱加速的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)控制。IMC層過多形成會(huì)削弱關(guān)節(jié)，因?yàn)镮MC本質(zhì)上是脆性的。許多研究人員研究了具有較厚的IMC層的SAC焊點(diǎn)的不良性能，并提出可以通過在焊料中添加增強(qiáng)劑來增強(qiáng)IMC層的性能。

在改善IMC層性能的研究中，此外，Liu[26]等觀察到，對(duì)于Sn3.8Ag0.7Cu-xNi復(fù)合焊料，IMC層的厚度隨著時(shí)效時(shí)間的增加而增加，并且復(fù)合材料的IMC晶粒隨著添加Ni而具有更細(xì)的晶粒尺寸。此外，Kumar等[27]研究了碳納米管(Sn-3.8Ag-0.7Cu)作為增強(qiáng)劑的碳納米管，由于其優(yōu)越的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，他們發(fā)現(xiàn)添加碳納米管可以產(chǎn)生更細(xì)的晶粒尺寸。Chellvarajoo等[28]研究了金剛石納米粒子增強(qiáng)無鉛Sn-3.0Ag-0.5Cu焊膏對(duì)回流焊后的組織和力學(xué)性能的影響。將不同量的金剛石納米顆粒(0.5、1.5和2.5 wt.%)與SAC 305機(jī)械混合，以產(chǎn)生新形式的納米復(fù)合焊膏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金剛石納米顆粒的加入略微降低了熔點(diǎn)，但顯著降低了IMC的厚度(圖1和圖2)。

圖1 回流焊接后銅基板上Sn-3.0 Ag-0.5 Cu-x%金剛石納米顆粒的橫截面的FESEM顯微照片：(a)x=0;(b)x=0.5;(c)x=1.5和(d)x=2.5[28]Fig.1 FESEM micrographs of Sn-3.0 Ag-0.5 Cu-x% diamond nanoparticles on copper substrate after reflow soldering:(a)x=0;(b)x=0.5;(c)x=1.5 and (d) x = 2.5

圖2 在SAC 305中添加不同百分比的金剛石納米顆粒對(duì)IMC厚度的影響[28]Fig.2 The effect of adding different percentage of diamond nanoparticles to SAC 305 on IMC thickness

1.2 等溫時(shí)效過程中IMC層的生長(zhǎng)

在使用過程中，當(dāng)經(jīng)受不同的熱老化條件時(shí)，由于焊料和基板之間的熱膨脹不匹配，形成的厚且額外的IMC相會(huì)使焊點(diǎn)暴露于脆性斷裂[29]。同樣值得注意的是，現(xiàn)代電子產(chǎn)品的小型化和隨之而來的焊料互連帶來的挑戰(zhàn)包括極高的工作溫度和焊點(diǎn)的粗化。因此，界面IMC層的生長(zhǎng)行為在長(zhǎng)期使用過程中，焊點(diǎn)中的焊錫需要對(duì)電子設(shè)備的可靠性評(píng)估進(jìn)行詳盡的了解。

在焊料基體中以及在IMC晶界處存在分散的納米材料可以增強(qiáng)焊料接頭，細(xì)化IMC相并抑制熱老化過程中界面IMC層的生長(zhǎng)。Amagai[30]驗(yàn)證了向Sn-Ag基焊料合金中添加過渡金屬(例如Co，Ni和Pt)不會(huì)顯著增加IMC的厚度和晶粒尺寸回流焊工藝和熱老化之后。Li等[31]在堿性SAC焊料中添加了大約1 wt.%的Al，發(fā)現(xiàn)Al可以減緩在焊料/Cu界面形成的IMC的生長(zhǎng)速率，因?yàn)锳l可能會(huì)降低參與界面反應(yīng)的Sn的活性。Dele-Afolabi等[32]研究了等溫時(shí)效條件對(duì)銅基MWCNT增強(qiáng)Sne5Sb焊料復(fù)合材料IMC層生長(zhǎng)的影響。通過粉末冶金方法成功開發(fā)了一系列無鉛和復(fù)合無鉛焊料體系(Sn-5Sb-xCNT；x=0、0.01、0.05和0.1 wt.%)。為了研究界面IMC層的演變和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，總IMC層的厚度隨老化溫度的升高而增加。剪切強(qiáng)度特性，在120℃，150℃和170℃的溫度下對(duì)焊料/銅接頭進(jìn)行了等溫時(shí)效處理?？紤]到MWCNTs作為增強(qiáng)材料的潛力，復(fù)合焊點(diǎn)相對(duì)于普通焊點(diǎn)證明了IMC層生長(zhǎng)的顯著抑制。對(duì)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的綜合研究表明，復(fù)合焊點(diǎn)中MWCNT的存在可有效減慢負(fù)責(zé)IMC生長(zhǎng)的擴(kuò)散機(jī)制(圖3和圖4)。

圖3 FESEM顯微照片，顯示了焊接后的Sn-5Sb-xCNT/Cu復(fù)合焊點(diǎn)的截面圖：(a)x=0，(b)x=0.05，(c)x=0.1 wt.%[32]Fig.3 FESEM micrograph showing cross-sectional views of Sn-5SB-xCNT/CU composite solder joint after welding:(a)x=0,(b)x=0.05,(c)x=0.1 wt.%

圖4 經(jīng)過(a)回流焊接和(b)120℃、(c)150℃、(d)170℃等溫老化條件的Sne5Sb-xCNT/Cu復(fù)合焊點(diǎn)的IMC總層厚[32]Fig.4 Total IMC layer thickness of Sne5Sb-xCNT/Cu composite solder joint after (a) reflow welding and (b) 120℃,(c) 150℃,(d) 170℃ isothermal aging conditions

總之，焊接后，由于焊料和基底之間的擴(kuò)散活性，SAC焊料包含很少的IMC。這些IMCs對(duì)于在長(zhǎng)期使用的焊料和襯底之間產(chǎn)生良好的結(jié)合很重要。SAC焊料在焊接后產(chǎn)生更好的IMC，并提供更好的接頭完整性。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這些IMCs往往會(huì)變得更厚，并降解鍵。因此，研究提出了一種替代方法，通過添加元素或納米粒子來克服這個(gè)問題。添加元素和納米顆粒可以降低擴(kuò)散系數(shù)，從而對(duì)產(chǎn)生更薄的IMC產(chǎn)生影響，從而提供更好的接頭。這表明，SAC焊料通過這些添加功能，可以產(chǎn)生更好的界面性能，這對(duì)焊料的力學(xué)性能很重要。

2 納米復(fù)合焊點(diǎn)的機(jī)械性能

在電子工業(yè)中，電子原件在使用期間承受熱疲勞現(xiàn)象下，保持熱穩(wěn)定鏈接是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。通常，電子元件的機(jī)械性能會(huì)受到焊點(diǎn)強(qiáng)度的強(qiáng)烈影響，而焊點(diǎn)的強(qiáng)度被認(rèn)為是這些系統(tǒng)中最薄弱的部分之一。在過去的十年中，考慮到環(huán)境兼容性問題，已經(jīng)開發(fā)了無鉛焊料來終止含Pb元素的焊料的應(yīng)用[33]。從那時(shí)起，研究就集中在開發(fā)具有改善的物理和機(jī)械耐久性的無鉛焊料上，以作為低溫焊接的合適候選材料。

Lin等[34]報(bào)道，鈰和鋅增強(qiáng)的SAC305焊點(diǎn)顯示出比未增強(qiáng)的焊點(diǎn)更好的剪切強(qiáng)度值。Yh等[35]研究了等溫時(shí)效對(duì)Au-12Ge/Ni(P)/Kovar焊點(diǎn)界面組織演變及剪切行為的影響。Au-12Ge/Ni(P)/Kovar焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度隨老化溫度和時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，在250 ℃時(shí)效480 h后，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度降至32.09 MPa。在290 ℃下老化480 h后，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度降至27.3 MPa。Sayyadi等[36]研究了石墨烯含量和鎳裝飾對(duì)Cu/Sn-Ag-Cu/Cu釬焊接頭的組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，隨著GNPs含量增加到約0.2 wt.%，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度不斷提高，最高達(dá)到27.3 MPa的最高值(與SAC焊料合金相比增加了約23%)，其中柔韌性持續(xù)降低至12.4%(降低率約60%)。發(fā)現(xiàn)在納米片表面上存在鎳涂層時(shí)，盡管出現(xiàn)了更多的電子失重?fù)p失，但這些涂層的發(fā)展更為嚴(yán)重，其最高強(qiáng)度約為28.3 MPa(圖5)。

圖5 未涂層和鎳涂層的GNP對(duì)(a)時(shí)效處理后的焊接接頭的剪切強(qiáng)度和(b)斷裂伸長(zhǎng)率的影響[36]Fig.5 Effect of uncoated and nickel coated GNP on (a) shear strength and (b) elongation at break of welded joints after aging treatment

Kumar等[27]研究了多次回流對(duì)(Au-20Sn)-2Ag/Au/Ni(P)/Kovar接頭組織和剪切強(qiáng)度的影響。發(fā)現(xiàn)添加2 wt.%Ag可以改變非均相成核條件并細(xì)化初級(jí)Au5Sn相的晶粒，形成球狀(Au，Ag)5Sn相和共晶(AuSn(Au，Ag)5Sn)層狀結(jié)構(gòu)體。即使經(jīng)過200次回流，(Au-20Sn)-2Ag焊料仍具有很強(qiáng)的回流可靠性(Au-20Sn)-2Ag/Au/Ni(P)/Kovar接頭的剪切強(qiáng)度保持了88.33%(圖6)。

圖6 (Au-20Sn)-2Ag/Au/Ni(P)/Kovar和Au-20Sn/Au/Ni(P)/Kovar接頭的抗剪強(qiáng)度(在330 ℃回流多次)[27]Fig.6 (Au-20Sn) -2Ag/Au/Ni (P)/kovar and Au-20Sn/Au/Ni (P)/Kovar joint shear strength (multiple times in 330℃)

Sujan等[37]研究了使用摻Co納米粒子的助焊劑制備的BGA焊點(diǎn)的界面反應(yīng)和斷裂模式。結(jié)果表明，通過助熔劑摻雜添加Co納米顆粒似乎是提高微電子封裝中長(zhǎng)期焊點(diǎn)可靠性的有前途的技術(shù)。由于沒有災(zāi)難性的脆性破壞模式，使用鈷摻雜的助焊劑制備的焊點(diǎn)的平均剪切強(qiáng)度略有增加。Co的添加通過抑制Cu3Sn IMC的生長(zhǎng)并抑制空隙的形成，有助于避免老化過程中界面的削弱。即使在長(zhǎng)期老化之后，焊點(diǎn)仍保持韌性斷裂。Tao等[38]研究了少量添加Bi，Sb和Ni的新型無鉛焊點(diǎn)的等溫老化和剪切蠕變行為。剪切蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，回焊后的焊點(diǎn)具有比老化的焊點(diǎn)更好的剪切蠕變強(qiáng)度，老化的焊點(diǎn)的剪切蠕變強(qiáng)度隨老化時(shí)間的增加而降低。這導(dǎo)致IMC厚度增加和粗糙度減小。就破壞模式而言，在室溫和高溫下的剪切蠕變測(cè)試顯示出明顯的破裂特征。散裝焊料內(nèi)部的斷裂是在較高溫度下發(fā)生的，而在較低溫度下是通過界面的斷裂發(fā)生的。當(dāng)樣品暴露于等溫時(shí)效時(shí)，蠕變變形變得更加明顯。由于焊料基質(zhì)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而導(dǎo)致斷裂。可以觀察到，在焊料的新晶粒結(jié)構(gòu)的形成中，機(jī)械因素至關(guān)重要(圖7)。

圖7 (a)相對(duì)于老化時(shí)間的穩(wěn)態(tài)剪切蠕變應(yīng)變率，(b)InnoLot/Cu焊點(diǎn)相對(duì)于老化時(shí)間的剪切模量[38]Fig.7 (a) Steady state shear creep strain rate relative to agingtime，(b) shear modulus of innolot/Cu solder joint relative to aging time

總之，機(jī)械性能受到焊料的微觀結(jié)構(gòu)和界面性能的影響。在這種特殊的SAC焊料體系中，共晶SAC焊料具有更高的剪切和抗拉強(qiáng)度，從而具有更好的力學(xué)性能。添加Ti等元素和二氧化鋯等納米顆粒也提高了SAC焊料的機(jī)械性能。因此，SAC焊料的機(jī)械性能在電子工業(yè)中具有更好和增強(qiáng)的效果，并表明它在使用期間能夠承受應(yīng)力和影響。

3 納米復(fù)合焊點(diǎn)的潤濕性能

焊點(diǎn)通過在組件和電路板之間提供機(jī)械支撐和電氣連接，在電子封裝中起著至關(guān)重要的作用。通過焊料合金和基底之間的反應(yīng)，金屬間化合物層出現(xiàn)在焊點(diǎn)內(nèi)。即使界面IMC層的形成表明焊料合金具有良好的潤濕性，但由于該層的脆性，IMC的過度生長(zhǎng)可能會(huì)損害焊料接頭的可靠性。焊料合金和基板之間良好的潤濕是確保焊點(diǎn)可靠連接的前提條件。潤濕程度可以用潤濕角θ的大小來表示，如圖8所示。潤濕性是焊料在基材上擴(kuò)散以形成冶金結(jié)合的能力[26]。為了形成適當(dāng)?shù)囊苯鸾Y(jié)合，潤濕過程必須發(fā)生。熔融焊料在焊接過程中流動(dòng)的能力對(duì)于形成適當(dāng)?shù)慕饘匍g鍵合很重要。一般來說，接觸角越小，潤濕力越高，焊料的潤濕性就越好[39]。

圖8 焊點(diǎn)的潤濕角示意圖Fig.8 Schematic diagram of wetting angle of solder joint

在潤濕分析中，用于評(píng)估潤濕性的原理是通過測(cè)量固體和液體結(jié)合處形成的接觸角。表面張力方程通常用于確定接觸角。下面的楊氏方程用于確定接觸角：

ΔFW=γP

(1)

其中，F(xiàn)W為撤回力，γ為表面張力，P為樣品周長(zhǎng)。

γsv=γls+γlvcosθ

(2)

其中，γsv是固體的表面張力，γls是界面能量，γlv是液體的表面張力，θ是接觸角。

Pal等[15]在銅基板上添加 1.0 wt.% SiC，在不同回流溫度(230℃～290℃)下對(duì)固化復(fù)合焊料的微觀結(jié)構(gòu)及其潤濕行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果顯示，隨著回流溫度的升高，復(fù)合焊料在銅上的相對(duì)擴(kuò)散面積 (RSA) 增加。SAC305/1%SiC 焊料在銅上的最佳相對(duì)鋪展面積在 270℃ 時(shí)約為 76.29%。

Pal等[15]研究了在銅基板上添加 1.0 wt.% SiC 的 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) 無鉛焊料的微觀結(jié)構(gòu)和潤濕行為。結(jié)果表明，隨著回流溫度的升高，擴(kuò)散比、擴(kuò)散因子和相對(duì)擴(kuò)散面積(RSA)增加，而平衡接觸角減小。這可以歸因于 SiC 顆粒的強(qiáng)吸附作用和高表面自由能。Suh等[40]人報(bào)道在回流過程中，焊料在基板上熔化并形成 IMC/焊料表面，這表明當(dāng)焊料/銅的潤濕角較小時(shí)，IMC/焊料表面之間的表面能較差熔化的焊料分布在 IMC/焊料的大表面積上(圖9)。

圖9 使用 SAC305/1% SiC 在 Cu 層上回流的焊料樣品橫截面的 SEM 圖像[15]Fig.9 SEM image of cross section of solder sample reflowed on Cu layer using SAC305/1% SiC

Sayyadi等[36]研究了Ni-GNPs對(duì)SCI焊點(diǎn)的潤濕性能的影響。結(jié)果顯示，通過摻入適量的Ni-GNP，可做大限度的減小潤濕角。這是因?yàn)樵鰪?qiáng)劑的添加會(huì)導(dǎo)致復(fù)合焊料的熔化溫度增大，從而潤濕角減小。通過將GNPs的含量增加至約0.2 wt.%，可將密度降低約0.25 g/cm3，將熔融溫度提高約7.7 ℃，并將潤濕角提高約5.0度。在通過化學(xué)裝飾的鎳涂層的存在下，這些修飾更為顯著(圖10)。

圖10 鍍鎳之前和之后所生產(chǎn)的焊料的實(shí)測(cè)潤濕角與GNPs分?jǐn)?shù)的關(guān)系[36]Fig.10 Relationship between measured wetting angle and GNPs fraction of solders produced before and after nickel plating

Yoon等[41]研究發(fā)現(xiàn)，Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC)焊料比Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC-Ni)焊料提供更好的潤濕性，其中潤濕力更高，潤濕角更小。Law等[42]人研究了基于將Ce和La加入到Sn-3.5Ag-0.7Cu(SAC)焊料的潤濕性。適當(dāng)增加0.1 wt.%重量的Ce和La會(huì)導(dǎo)致降低潤濕時(shí)間和增加潤濕力。原因是這些元素傾向于降低焊料的表面張力，從而降低接觸角，增強(qiáng)擴(kuò)散面積。然而，過量的這些元素通過降低濕潤力和增加焊料粘度對(duì)潤濕性能產(chǎn)生負(fù)面影響。Noor等[43]研究了添加稀土元素對(duì)Sn-Ag-Cu無鉛焊料微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、機(jī)械性能和潤濕性能的改善。得出結(jié)論，過度添加元素將增加潤濕角，對(duì)接頭的可靠性產(chǎn)生不利影響。原因是添加過大會(huì)增加粘度，使液體焊料更難擴(kuò)散。圖11顯示了元素Ce和La對(duì)Sn-3.5Ag-0.7Cu(SAC)焊料的影響(表2)。

圖11 (a)不同Ce和La添加量的SAC潤濕角(b)不同Ce和La的SAC潤濕力[43]Fig.11 (a) Wetting angle of SAC with different Ce and La additions (b) wetting force of SAC with different Ce and La additions

表2 SAC元素潤濕性能的影響Table 2 Effect of wettability of SAC elements

總之，加入納米粒子可降低接觸角，同時(shí)縮短潤濕時(shí)間。這些結(jié)果主要是由于表面張力降低，這表明這增強(qiáng)了Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC)的潤濕性，并滿足理想潤濕性標(biāo)準(zhǔn)。這背后的另一個(gè)原因是，添加稀有元素，如In，會(huì)增加了表面不穩(wěn)定性，使焊料能夠在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散和濕潤。

4 總結(jié)

本文研究和調(diào)查了各種無鉛焊料合金，這些合金克服了 SnPb 焊料引起的健康和環(huán)境問題。其中，SAC合金已顯示出良好的效益，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)。這種特殊的焊料在熔化、潤濕性、微觀結(jié)構(gòu)和界面方面均具有更好的性能，在拉伸和剪切強(qiáng)度方面也具有更好的機(jī)械性能。同時(shí)，以主流焊料為例，測(cè)試了上述性能作為研究討論，并回顧了SAC合金以及添加元素和摻雜納米顆粒后的各項(xiàng)性能。諸多研究表明，添加元素和摻雜納米顆粒后的SAC焊料會(huì)在焊接中體現(xiàn)更加良好的性能；此外，將焊料制成納米顆粒被證實(shí)具有更好的性能。

微觀結(jié)構(gòu)性能方面，SAC焊料具有精細(xì)的和明確的微觀結(jié)構(gòu)，這直接提高了焊料的強(qiáng)度。通過添加元素或納米粒子，可以產(chǎn)生更好的界面性能，這對(duì)焊料的力學(xué)性能直觀重要。

在特殊的SAC焊料體系中通過共晶SAC和摻雜Ti等元素，使SAC焊料在電子工業(yè)中具備更好的力學(xué)性能和機(jī)械性能。

潤濕性方面，SAC焊料比SnPb焊料提供了更好的擴(kuò)展面積。這種特殊特性對(duì)于在焊料和基板之間產(chǎn)生良好的接頭很重要，以便設(shè)備在長(zhǎng)期使用時(shí)間內(nèi)保持完好。不僅如此，SAC焊料在加入了Bi、Er、Ce和La等元素后，似乎會(huì)產(chǎn)生更高的潤濕力和較低的接觸角。即便如此，添加一些元素(如鎂)容易氧化，也會(huì)破壞潤濕性能。進(jìn)一步添加納米顆粒也會(huì)在基底和SAC焊料之間產(chǎn)生更好的潤濕性。本文已對(duì)這些影響進(jìn)行了討論和總結(jié)。

本文綜述了無鉛SAC焊料系統(tǒng)從克服環(huán)境問題的發(fā)展到實(shí)現(xiàn)和維持自己作為電子包裝行業(yè)可行的候選人的所有特性。無鉛SAC焊料可以提供傳統(tǒng)SnPb焊料所具有的所有缺點(diǎn)的替代選擇，也參與了未來需求的新創(chuàng)新。本文展現(xiàn)出SAC焊料在電子包裝行業(yè)中的重要性，并提供了使人們能夠更好地對(duì)該合金有所了解的信息。