Sn-Bi 二元合金應(yīng)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(yè)集團(tuán)(控股)有限責(zé)任公司,云南昆明 650000;2.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

在微電子制造領(lǐng)域的無鉛化發(fā)展進(jìn)程中,Sn-Cu系、Sn-Ag 系和Sn-Ag-Cu 系合金逐漸成為板級(jí)互連的主流焊料[1]。但因其熔點(diǎn)較高,焊接所需溫度高于260 ℃,導(dǎo)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(lǐng)域的持續(xù)需求與發(fā)展趨勢(shì)。

國(guó)際電子生產(chǎn)商聯(lián)盟(iNEMI)陸續(xù)在2018 年公開了Sn-Bi 合金焊料、焊點(diǎn)的研究報(bào)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(shù)據(jù)[4]。Alpha 公司則在Sn-Bi 系非共晶的基礎(chǔ)上,通過添加合金元素,開發(fā)出熔點(diǎn)、強(qiáng)度、焊接性能均優(yōu)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(diǎn)(共晶溫度138 ℃)、優(yōu)良的潤(rùn)濕性能,在熱敏感元器件、LED 封裝以及混裝互連方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)[6]。以Bi 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(diǎn)下金屬(UBM)反應(yīng)。焊點(diǎn)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(xù)長(zhǎng)大,會(huì)加劇Bi 相在焊點(diǎn)界面持續(xù)堆積而形成連續(xù)的脆性Bi 層且不斷粗化,降低焊點(diǎn)對(duì)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(nèi)的富Bi 脆性相,從而調(diào)整Sn-Bi 合金的綜合力學(xué)行為。

應(yīng)變速率敏感性指數(shù)是評(píng)價(jià)焊點(diǎn)抗跌落沖擊性能的重要參數(shù)。除了量化合金的塑性變形抗力與應(yīng)變速率的關(guān)系外,應(yīng)變速率敏感性指數(shù)還能與合金微觀組織建立聯(lián)系,并在很大程度上決定了焊點(diǎn)的抗跌落沖擊性能[9]。……