電子組裝用無鉛釬料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王傳勇 張曉嬌 周瑞昌 趙偉東

摘 要：本文綜述了近年來國內(nèi)外無鉛釬料的研究開發(fā)現(xiàn)狀及部分無鉛釬料的應(yīng)用情況。重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外SnAgCu合金系無鉛釬料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析其特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及目前存在的問題。

關(guān)鍵詞：無鉛釬料;SnAgCu合金系;現(xiàn)狀

隨著人民環(huán)保意識(shí)不斷提高，對(duì)電子產(chǎn)品無鉛化已經(jīng)成為必然，此外，由于傳統(tǒng)的SnPb釬料合金其蠕變性能差，致使焊點(diǎn)過早出現(xiàn)失效，不能電子產(chǎn)品的可靠性要求。因此，關(guān)于新型高性能無鉛釬料技術(shù)的研究，不僅可以盡快實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品無鉛化需求，也是電子封裝技術(shù)不斷發(fā)展的要求，對(duì)于電子產(chǎn)品無鉛化進(jìn)程、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有積極意義。

1 無鉛釬料的研究現(xiàn)狀

隨著微電子封裝技術(shù)不斷提高，焊點(diǎn)尺寸也趨微小化。焊點(diǎn)需要承擔(dān)較重的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)負(fù)荷，也進(jìn)一步提高了釬焊焊點(diǎn)的性能要求。在無鉛釬料替代錫鉛釬料的研究方面，相關(guān)技術(shù)人員做大量研究，發(fā)現(xiàn)了Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等較有潛力的釬料合金系。其中Sn-Zn系無鉛釬料因其低廉的成本、廣泛的原材料來源、熔點(diǎn)和Sn-Pb共晶釬料接近等優(yōu)勢(shì)，可以在現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上不做太大的調(diào)整，就可實(shí)現(xiàn)無鉛化生產(chǎn)要求。另一方面，共晶Sn-Zn無鉛釬料和Sn-Pb釬料二者對(duì)比，其焊點(diǎn)不僅具有較好抗剪強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，也具有明顯的電遷移效應(yīng)優(yōu)勢(shì)。在室溫條件下，比Sn-Pb抗疲勞性能更好。[1]但時(shí)，因?yàn)閆n的存在，使得Sn-Zn系無鉛釬料潤濕性差、抗氧化性能差、耐腐蝕性能弱，從而制約了Sn-Zn系無鉛釬料在微電子行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。向Sn-Zn合金釬料中添加合金元素可有效改善其性能，添加合金元素可以改善釬料的潤濕性能，同時(shí)有利于提高釬料的抗氧化性能和抗腐蝕性能。通過適量Ag添加，熔融釬料的抗氧化性得到提高，進(jìn)一步降低釬料表面Zn氧化，進(jìn)而提高釬焊接頭的力學(xué)性能和釬料的潤濕性，在研究中也發(fā)現(xiàn)，通過增加Ag含量，進(jìn)一步增加釬料的鋪展面積。如果Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.5%時(shí)，會(huì)進(jìn)一步提高釬料熔點(diǎn)。在同等實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，又會(huì)了降低釬料的潤濕面積。Sn-Cu系釬料同Sn-Pb比較可以發(fā)現(xiàn)，其具有良好延伸率優(yōu)勢(shì)，但抗拉強(qiáng)度卻偏低。這也反映出Sn-Cu系釬料質(zhì)地較軟，具有明顯的延展性優(yōu)勢(shì)。另一方面，因?yàn)镾n-Cu系釬料具有熔點(diǎn)較高的特點(diǎn)，如果超過250℃釬焊溫度在工業(yè)生中實(shí)現(xiàn)存在一定難度，因此，其多用于單面基板波峰焊加工。Sn-Cu系釬料仍存在一系列問題：由于Sn-Cu釬料流動(dòng)性較差，熔融釬料因?yàn)椴灰讖暮更c(diǎn)間隙分離出來，常易出現(xiàn)焊點(diǎn)橋連，導(dǎo)致短路;在進(jìn)行波峰焊作業(yè)時(shí)，電器元件表面的Cu易擴(kuò)散到釬料槽，致使大量消耗Cu又降低了焊點(diǎn)的力學(xué)性能。再者，如果大量Cu擴(kuò)散到釬料槽中，又會(huì)在槽中產(chǎn)生Cu6Sn5化合物，釬料的密度比產(chǎn)生的化合物密度低，化合物在槽底又導(dǎo)致釬料更換頻率增加，進(jìn)一步導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。

2 釬料的發(fā)展趨勢(shì)

相關(guān)的研究表明，通過將Cu添加到Sn-Ag合金系，不僅可以較好的保證Sn-Ag合金系性能，同時(shí)可以使其熔點(diǎn)降低約3℃～4℃，同時(shí)，還可以降低電產(chǎn)子品焊接過程中Cu的溶蝕。因此，現(xiàn)在大量的研究也證實(shí)了Sn-Ag-Cu釬料的熔點(diǎn)較低（217～221℃），不僅具有良好的焊接性能，其優(yōu)異的機(jī)械性能和物理性能也被學(xué)者和科研人員所認(rèn)可，是最有可能替代SnPb合金的無鉛釬料。AbhijitKar等人研究了Cu/Sn3.5Ag0.5Cu釬焊接頭組織對(duì)接頭機(jī)械性能和導(dǎo)電性的影響，并與Cu/Sn37Pb釬焊接頭進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：Cu/Sn3.5Ag0.5Cu釬焊接頭有Cu3Sn和Cu6Sn5生成，Cu/Sn37Pb釬焊接頭有Cu6Sn5生成，前者的抗剪強(qiáng)度和導(dǎo)電性均優(yōu)于后者，這是由于熔體過熱，Sn是釬焊過程中主要的擴(kuò)散元素，無鉛釬焊接頭金屬間化合物（IMC）層較薄，此外，Ag的添加也使得釬焊接頭的導(dǎo)電性進(jìn)一步提高。通過添加混合稀土元素到Sn基無鉛釬料，也在很大程度上使在釬料各方面的性能得到很大改善。陳志剛，史耀武[2]等通過稀土含量對(duì)SnAgCu釬料合金的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加微量的La、Ce混合稀土（RE）元素的作用十分明顯，不僅可以不影響SnAgCu釬料原有的優(yōu)良物理性能和釬焊工藝性能，同時(shí)，因?yàn)橄⊥恋囊苯鹱饔茫挚梢允沟肧nAgCu合金的抗蠕變性能及可靠性得到提高，而且釬料成本增加很少。為了進(jìn)一步改善SnAgCuRE釬料合金的潤濕性，抗拉強(qiáng)度和延伸率，張柯柯等人在Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1Re釬料合金的基礎(chǔ)，研究Ni含量對(duì)該釬料合金機(jī)械性能和蠕變性能的影響。研究結(jié)果表明：添加005wt%的Ni時(shí)，該合金系釬料延伸率高于普通商用Sn-38Ag-0.7Cu釬料合金，此外，釬焊接頭的蠕變性能顯著提高。ANUPAMCHOUBEY等人研究了等溫時(shí)效后的無鉛釬焊接頭IMC的特點(diǎn)，由于IMC是脆性相，IMC厚度較小時(shí)，釬焊接頭具有較好的可靠性，研究表明，浸金下無電鍍鎳（ENIG）涂層可以降低IMC厚度，提高釬焊接頭的可焊性。隨著IMC的出現(xiàn)，在Cu基體和釬料的界面處觀察到一些微觀空洞，當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時(shí)，微觀空洞會(huì)影響釬焊接頭的可靠性。

Sn-Ag-Cu系釬料是國際上目前公認(rèn)的無鉛釬料首選材料，然而，該合金系的熔點(diǎn)是217℃，比SnPb釬料的183℃高34℃。雖然零部件的耐高溫氧化研究也在不斷進(jìn)展，但仍有一些零部件不能承受高溫，因此，研發(fā)新型高性能無鉛釬料，滿足無鉛電子產(chǎn)品生產(chǎn)的需要，仍是一個(gè)亟待解決的問題。

3 結(jié)語

在無鉛釬料技術(shù)的發(fā)展和研究中，我國與發(fā)達(dá)國家相比，仍有一定的差距，我國科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)科技企業(yè)需要充分重視其技術(shù)的發(fā)展與研究，否則在未來的國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中會(huì)陷入被動(dòng)局面。同時(shí)我們也應(yīng)該看到，無鉛釬料的研究，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，無鉛釬料的研究成果也必然會(huì)提高國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品加工能力，增加企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益得到提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧永蓮，楊邦朝.電子焊料的無鉛化及可靠性問題[J].功能材料，2005（4）：490-494.

[2]史耀武，雷永平，夏志東，等.電子組裝用SnAgCu系無鉛釬料合金與性能[J].有色金屬，2005，57（3）：8-15.