無鉛焊點材料305SAC的研究

無鉛焊點材料305SAC的研究

刊名：International Journal of Precision Engineering and Manufacturing（英）

刊期：2016年第12期

作者：Min-Soo Kang

編譯：于雅靜

通過熱壽命試驗、剪切試驗和有限元分析方法（FEM）研究了305SAC無鉛材料焊接接頭的特性，并針對焊點的可靠性進行了試驗測試。測試了汽車電子中R1608和C1608芯片的無鉛焊點，并進行了熱壽命試驗以模擬汽車運行環境。通過熱壽命測試和剪切試驗來測量材料強度的變化，并利用元素分析的方法進一步觀察焊接處和斷裂面，從而得到如下試驗結果。

（1）剪切試驗表明，應力集中在芯片電極（銀、銅）和鍍鎳層（金屬隔層）。

（2）經熱壽命測試（85～105℃，20min/周期，1600個周期），R1608和C1608芯片的抗剪強度分別下降了24.1%和8.2%。

（3）R1068芯片的失效始于鎳鍍層和銀電極中的銀界面，并擴散到焊料層。熱壽命測試后進行元素分析發現：化合物元素比重原來鎳占74.2%、銀占21.3%變為鎳占65.5%、銀占26.1%；鎳的厚度由5mm變為9mm。

（4）C1608芯片的失效始于作為金屬隔層的鎳鍍層（質量占99.1%）并擴散到焊料層，芯片失效出現在熱壽命測試之后的銅電極（質量占98.4%）。熱壽命測試表明，鎳的厚度由6mm變為8mm。

（5）根據鎳鍍層擴散和芯片電極（銀、銅）對剪切強度的影響，以及金屬擴散所導致的兩種材料力學性能的改變，熱壽命試驗后元素比例和失效形式存在不同。

（6）從剪切試驗后產生的斷裂面中提取大量鎳表明，鎳鍍層的結合強度是焊點中最弱的一個。

（7）由于受晶粒遷移的影響，因此作為金屬隔層的鎳更容易受到車輛行駛時產生高溫熱量的影響。

對斷裂面元素的研究分析表明，這些元素通過在高溫老化材料間的熱擴散形成了金屬化合物Cu3Sn，Cu6Sn5，Ag3Sn和Ni3Sn4。在這些金屬化合物厚度變化的早期，熱擴散所引起的鍍鎳層和芯片電極間的晶界遷移造成了剪切強度的降低。因此，控制車輛在常見高溫行駛工況下銅墊與焊點間產生金屬化合物的種類和厚度是很有必要的。