SnBi—SACBN復(fù)合錫膏焊后微觀組織及力學(xué)性能

付海豐　劉洋　孫鳳蓮　張浩　王敏

摘要：針對低溫?zé)o鉛釬料Sn58Bi （SnBi）焊后脆性問題，采用機(jī)械混合方法向SnBi無鉛錫膏中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1%、5%的SACBiNi （SACBN）合金粉末制備復(fù)合錫膏。借助掃描電鏡對復(fù)合錫膏焊后合金微觀組織形貌、成分進(jìn)行研究，通過納米壓痕法對復(fù)合釬料力學(xué)性能進(jìn)行表征。實驗結(jié)果表明：隨著復(fù)合錫膏中SACBN微粒含量增加，焊后合金微觀組織中βSn相增多，富Bi相含量降低，合金中由富Bi相構(gòu)成的細(xì)小網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)得到抑制。當(dāng)錫膏中SACBN微粒含量由0增大至5%時，合金硬度從219.05N/mm2下降到174.18N/mm2，彈性模量由5.93N/mm2下降到2.86N/mm2。

關(guān)鍵詞：SnBi；復(fù)合錫膏；界面組織；硬度；彈性模量

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.010

中圖分類號： TG42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0051-04

Abstract：Aiming at the brittleness of Sn58Bi （SnBi） solder joints， the SnBi composite pastes were prepared by mechanical mixing method with SACBiNi （SACBN） alloy powder. The concentration of the additives was 0， 0.5， 1， and 5 wt%， respectively. The microstructure and composition of the assoldered alloys were investigated by SEM. Meanwhile， the mechanical properties of the alloys were characterized by nanoindentation method. Experimental results indicate that with the increase of the SACBN content in the composite solder pastes， the concentration of βSn phase increased. In contrast， Birich phase was reduced after reflow. The refined reticular structure of Birich phase was suppressed in the alloys. As the increase of SACBN particles increased from 0 to 5 wt%， the hardness of the alloy decreased from 219.05 N/mm2 to 174.18 N/mm2. Meanwhile， the elastic modulus decreased from 5.93 N/mm2 to 2.86 N/mm2.

Keywords：SnBi； composite solder paste； interfacial structure； hardness； elastic modulus

0引言

隨著微連接行業(yè)的快速發(fā)展，無鉛釬料的研發(fā)與應(yīng)用得到了廣泛重視[1]，多級封裝結(jié)構(gòu)需經(jīng)過多次回流焊工藝，針對每一封裝級別需選用具備相應(yīng)熔點的無鉛釬料進(jìn)行連接。因此分為低溫釬料、中溫釬料以及高溫釬料。其中共晶Sn58Bi （SnBi）釬料的熔點為139℃，廣泛應(yīng)用于二級封裝或三級封裝中的低溫釬焊連接。SnBi釬料具有成本低、潤濕性好、孔隙率低等特點[2-6]，在微電子行業(yè)中應(yīng)用廣泛。然而SnBi釬料中Bi含量較高，由于富Bi相脆性較大，對釬焊接頭塑性、韌性造成影響，容易發(fā)生接頭脆性斷裂[6-8]。因此，針對SnBi釬料的成分與性能優(yōu)化是低溫封裝領(lǐng)域的研究熱點。

通過合金熔煉在SnBi中添加其它組元成為其性能優(yōu)化的主要方式，Elton及胡麗等研究發(fā)現(xiàn)[10-12]，在SnBi釬料中添加適量Ag具有改善合金塑性的效果，當(dāng)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5～1.0%時，合金伸長率最高。張富文等[13]研究發(fā)現(xiàn)，適量Cu的添加對于SnBi合金的脆性同樣具有一定的抑制效果。李群[14]等的研究表明，釬料中添加Al有利于其力學(xué)性能的改善，當(dāng)釬料中Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時，其拉伸強(qiáng)度增加了9.57%。然而，釬料中Al的添加導(dǎo)致其潤濕性下降。Zhang等[15]通過在熔融的Sn中加入Bi和SnSb中間合金的方法制備了復(fù)合釬料，研究了Sb含量對SnBi釬料性能的影響。當(dāng)釬料中Sb質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時，焊點的剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值。Liu等[16]通過在SnBi焊膏中加入Y2O3顆粒制備復(fù)合焊膏，研究了Y2O3顆粒的添加對SnBi釬料微觀組織及剪切性能的影響。綜上所述，在SnBi釬料中添加Ag、Cu等其它組元有利于釬料合金性能的改善。但常規(guī)的合金熔煉方法將對釬料合金熔化特性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其釬焊工藝性能。因此，本研究中采用機(jī)械混合的方式向SnBi焊膏中添加SnAgCuBiNi （SACBN）合金粉末，制備SnBi復(fù)合錫膏。在不改變錫膏熔化特性的前提下，通過釬焊過程中熔融SnBi合金與固態(tài)SACBN微粒之間的冶金反應(yīng)，獲得優(yōu)化的釬焊接頭，研究SACBN微粒添加對復(fù)合錫膏焊后微觀組織及力學(xué)性能的影響。

1實驗

采用市售SnBi錫膏與課題組研發(fā)的SACBN合金微粒進(jìn)行機(jī)械混合，制備復(fù)合錫膏。其中，SACBN微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.5、1、5%。通過鋼網(wǎng)印刷的方式在清潔鋁板上印刷體積均勻的錫膏點。采用等溫加熱設(shè)備進(jìn)行回流焊，控制回流溫度為180℃，回流時間90s，獲取焊后釬料合金試樣。本文重點研究焊后釬料合金微觀組織與力學(xué)性能。為避免釬料與基板界面反應(yīng)的影響，采用與釬料不潤濕的鋁板作為基板，借助熔融釬料表面張力的作用，制備球型焊點試樣。

對試樣分別進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕等處理，采用掃描電子顯微鏡與能譜分析對焊點進(jìn)行微觀組織觀察及成分分析。借助納米壓痕設(shè)備對焊點微觀力學(xué)行為進(jìn)行表征[17]。設(shè)定參數(shù)最大載荷100mN，加載時間10s，加載速率10mN/s，為了減小測試誤差，對每種焊點分別進(jìn)行10次壓痕測試取平均值，獲取其微觀力學(xué)性能參數(shù)。

2結(jié)果討論

2.1顯微組織

圖1（a）所示為SnBi共晶焊點的微觀組織形貌，其微觀組織呈細(xì)小的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖1（b）為SnBi共晶焊點微觀組織的局部放大圖。能譜分析表明，表面不規(guī)則網(wǎng)狀組織為富Bi相組織，而基體灰色相為βSn。

3結(jié)論

1）采用機(jī)械混合的方法制備了SnBiSACBN復(fù)合錫膏。該復(fù)合錫膏可采用與SnBi相同的焊接工藝進(jìn)行焊接。

2）隨著復(fù)合錫膏中SACBN微粒含量增大，焊后合金中βSn相增多，富Bi相含量降低，同時合金中由富Bi相構(gòu)成的細(xì)小網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)得到抑制。

3）當(dāng)復(fù)合錫膏中SACBN微粒焊料由0增大至5%時，焊后合金硬度由219.05N/mm2下降為174.18N/mm2，彈性模量由5.93N/mm2下降至2.86N/mm2。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]張新平， 尹立孟， 于傳寶. 電子和光子封裝無鉛釬料的研究和應(yīng)用進(jìn)展[J]. 材料研究學(xué)報， 2008， 22（1）：1-9.

[2]董文興， 郝虎， 史耀武， 等. 稀土改性的 Sn58Bi 低溫?zé)o鉛釬料[J]. 電子元件與材料， 2007， 26（6）： 21-23.

[3]張浩. 納米顆粒對Sn58Bi/Cu微焊點的改性及機(jī)理研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015.

[4]TSAI Y D， HU C C. Composition and Microstructure Control of TinBismuth Alloys in the Pulse Plating Process[J]. Journal of the Electrochemical Society， 2011， 158（8）： 482-488.

[5]劉曉英， 馬海濤， 王來. 超細(xì)氧化物顆粒對Sn58Bi釬料組織及性能影響[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報， 2008， 48（1）：51-57.

[6]王陽， 胡望宇， 舒小林，等. SnBi合金系低溫?zé)o鉛焊料的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報， 1999（3）：23-25.

[7]徐駿， 胡強(qiáng)， 林剛， 等. SnBi 系列低溫?zé)o鉛焊料及其發(fā)展趨勢[J]. 電子工藝技術(shù)， 2009（1）： 1-4.

[8]尹恒剛. Cu和Zn元素的添加對SnBi無鉛焊料合金性能的影響[D]. 重慶：重慶大學(xué)， 2013.

[9]XIA Z， CHEN Z， SHI Y， et al. Effect of Rare Earth Element Additions on the Microstructure and Mechanical Properties of Tinsilverbismuth Solder[J]. Journal of Electronic Materials， 2002， 31（6）： 564-567.

[10]MIAO H W， DUH J G. Microstructure Evolution in SnBi and SnBiCu Solder Joints Under Thermal Aging[J]. Materials Chemistry and Physics， 2001， 71（3）： 255-271.

[11]KIKUCHI S， NISHIMURA M，SUETSUGU K， et al. Strength of Bonding Interface in Leadfree Sn Alloy Solders[J]. Materials Science and Engineering： A， 2001， （319）： 475-479.

[12]胡麗， 曾明， 張業(yè)明， 等. Ag 對 SnBi 無鉛釬料壓入蠕變性能及顯微組織的影響[J]. 西華大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2010， 29（4）： 72-74.

[13]張富文， 徐駿， 胡強(qiáng)， 等. Sn30Bi0.5 Cu 低溫?zé)o鉛釬料的微觀組織及其力學(xué)性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報， 2009， 19（10）： 1782-1788.

[14]李群， 黃繼華， 張華，等. Al對Sn58Bi無鉛釬料組織及性能的影響[J]. 電子工藝技術(shù)， 2008， 29（1）：1-4.

[15]ZHANG C， LIU S D， QIAN G T， et al. Effect of Sb Content on Properties of SnBi Solders[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2014， 24（1）： 184-191.

[16]LIU X Y， HUANG M L， WU C M L， et al. Effect of Y2O3 Particles on Microstructure Formation and Shear Properties of Sn58Bi Solder[J]. Journal of Material Science： Material Electron， 2010， 21（10）： 1046-1054.

[17]楊淼森， 孔祥霞. 基于納米壓痕法的SnBixNi釬料的塑性比較[J]. 電子元件與材料， 2015（10）：88-90.

[18]LIU Y， SUN F， ZHANG H， et al. Solderability， IMC Evolution，and Shear Behavior of LowAg Sn0.7Ag0. 5CuBiNi/Cu Solder Join[J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2012， 23（9）： 1705-1710.

[19]LIU Y， SUN F， LI X. Effect of Ni， Bi Concentration on the Microstructure and Shear Behavior of LowAg SACBiNi/Cu Solder Joints[J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2014， 25（6）： 2627-2633.

[20]劉洋， 張洪林， 夏鵬， 等. SAC/Cu 及 SACBiNi/Cu 回流焊界面金屬間化合物演變[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報， 2015， 20（5）： 65-68.

（編輯：溫澤宇）