Sn-Bi 二元合金應變速率敏感性的研究

劉 晨 ,羅曉斌 ,彭巨擘 ,于智奇 ,王小京

(1.云南錫業集團(控股)有限責任公司,云南昆明 650000;2.江蘇科技大學材料科學與工程學院,江蘇鎮江 212003)

在微電子制造領域的無鉛化發展進程中,Sn-Cu系、Sn-Ag 系和Sn-Ag-Cu 系合金逐漸成為板級互連的主流焊料[1]。但因其熔點較高,焊接所需溫度高于260 ℃,導致熱輸入較大,易造成印刷電路板(PCB)和基板的焊后彎曲變形[2]。因此,降低連接溫度、提高互連綜合性能是微電子互連領域的持續需求與發展趨勢。

國際電子生產商聯盟(iNEMI)陸續在2018 年公開了Sn-Bi 合金焊料、焊點的研究報告[3],提供了Sn-Bi 系合金作為低溫連接材料的可能性與部分可靠性數據[4]。Alpha 公司則在Sn-Bi 系非共晶的基礎上,通過添加合金元素,開發出熔點、強度、焊接性能均優于Sn-58Bi 共晶焊料的HRL1 合金[5]。

相較于Sn-Ag-Cu 系合金,Sn-Bi 系焊料因具有更低的熔點(共晶溫度138 ℃)、優良的潤濕性能,在熱敏感元器件、LED 封裝以及混裝互連方面獨具優勢[6]。以Bi 元素質量分數為58%的Sn-58Bi 合金為例,合金組織由富Sn 相和富Bi 相組成。富Bi 相為脆性相,呈片層狀,不與焊點下金屬(UBM)反應。焊點連接主要靠富Sn 相與UBM 形成的界面化合物層。服役過程中界面化合物的持續長大,會加劇Bi 相在焊點界面持續堆積而形成連續的脆性Bi 層且不斷粗化,降低焊點對沖擊、跌落載荷的抵抗能力[7-8]。因此,亟需降低Bi 含量以減少Sn-Bi 合金內的富Bi 脆性相,從而調整Sn-Bi 合金的綜合力學行為。

應變速率敏感性指數是評價焊點抗跌落沖擊性能的重要參數。除了量化合金的塑性變形抗力與應變速率的關系外,應變速率敏感性指數還能與合金微觀組織建立聯系,并在很大程度上決定了焊點的抗跌落沖擊性能[9]。……