張戰(zhàn)英 王一龍 徐廣勝 劉振華

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 材料工程學院，咸陽 712000）

1 研究背景

如今電子產品的更新?lián)Q代速度非?？?，且行業(yè)競爭劇烈，許多廠家為了提升競爭力及收益而采用各種方式來控制成本，但SAC387、SAC305 等無鉛產品中Ag 含量過高的問題一直是行業(yè)內部面臨的難題[1]，這將大大增加釬料的生產成本。由于合金釬料中存在Ag，將會使焊點中存在許多細長、薄片狀的Ag3Sn 金屬化合物，當焊點處于熱應力或機械應力較高的情況下時，此類化合物容易引起裂紋，使電子產品在跌落等情況下容易出現焊接脫落，從而導致部分功能無法實現[2]，而且若采用焊球陣列封裝（Ball Grid Array，BGA）、芯片支持包（Chip Support Package，CSP）等芯片封裝技術的電子設備使用的釬料中Ag 的含量較高，可能導致相關元器件的可靠性下降。為了提高含銀無鉛釬料的抗跌性、抗沖擊性等性能[3]，日本JEITA 協(xié)會開始著手研發(fā)含銀量低的無鉛釬料。減少釬料中的Ag 含量后，焊接界面處的金屬化合物將變薄，這有利于提升焊點的抗沖擊水平與抗震性能。

低Ag 無鉛合金具有較低的彈性模量和較低的屈服強度等性能，能吸收變形、熱疲勞等產生的能量，降低此類能量對焊接界面的影響，從而有效減少界面斷裂的概率[4]。相比SAC305 等產品，低銀無鉛釬料有強度低、潤濕性差、熔點高等不利于加工和使用的問題，因此需要通過添加微量稀有金屬來消除這種問題。本文基于這一思路，嘗試通過添加適量元素來提升低銀無鉛釬料的潤濕性、強度、抗氧化性，降低其熔點，從而改善SAC0307 釬料的相關特性。

2 低銀無鉛釬料的應用研究現狀

歐盟WEEE、RoHS 雙指令以及日本通產省回收法等立法的頒布強制將電子工業(yè)從含鉛釬料向無鉛釬料進行轉換，大眾使用的電子產品Sn-Ag-Cu 系合金因具有可靠的焊接性能、優(yōu)秀的物理性質及良好的力學性能而得到廣泛研究與實際應用，如日本電子協(xié)會推薦的SAC305、美國NEMI 推薦的SAC387 以及Intel 公司常用的SAC405 等。

日本是最先廣泛研究無鉛釬料相關技術的國家，早在20 世紀末，就有日立、松下、索尼、東芝等企業(yè)研究無鉛技術并在實際的產品加工中引入相關釬料產品，他們將該技術積極推廣并投入工業(yè)應用，截止于2003 年已有超過70%的相關企業(yè)引入了無鉛釬料，目前其無鉛技術的研發(fā)與產業(yè)化水平都領先其他國家。WEEE、RoHS 雙指令頒布后，歐盟國家也加快了無鉛化釬料的研究與產業(yè)化應用，如Philips、Infineon 等半導體產商采取限制部分產品鉛含量的手段來適應法規(guī)要求?；谑袌鲂枨蠹胺ㄒ?guī)的推動，歐美國家在該方面發(fā)展迅猛。隨著我國近十幾年來對電子產品的消費需求大大提升，許多企業(yè)及科研究單位也開始對無鉛釬料進行了大量研究、開發(fā)與應用，但目前已實現商品化的無鉛釬料產品較少。

無鉛釬料有很多種，其中Sn-Ag-Cu 系無鉛釬料是目前應用最為廣泛的一種無鉛釬料，也被認為是替代含鉛釬料的首選，該類釬料以Sn-Ag 共晶合金為基礎，工藝性能和力學性能良好，且成本較低[5]，目前已在電子封裝等領域應用了較長時間，但國內的相關研究并不多。各國研發(fā)的該系釬料雖然存在成分上的差異，如歐盟IDEALS 推薦的產品為Sn-3.8Ag-0.7Cu，日本JEITA 推薦的產品為Sn-3.0Ag-0.5Cu，但微小成分差異對熔化溫度等特性的影響不大。相關研究表明，該類釬料在某些情況下會存在力學性能下降的問題，通過添加如Ge、Bi 等元素則有利于改善相關性能，從而提高該類材料的焊接可靠性與抗熱疲勞性。

3 新型低銀無鉛電子釬料的開發(fā)研究

3.1 實驗方式

新型低銀無鉛電子釬料的開發(fā)研究過程中，首選Sn 和Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ge 以及Sn-Bi 等合金來制備新型的SAC0307 釬料，再根據相關試驗標準對制備完成的釬料進行各項測試，包括拉伸測試、熔點特征測試以及用鹽酸酒精對合金試樣進行刻蝕等。通過顯微鏡觀察合金被腐蝕后的顯微組織情況，并用可焊性測試儀研究新型釬料的潤濕性，從而獲得潤濕力平衡曲線等數據，之后再進行產渣量、融通率等方面的測試。

3.2 實驗結果與討論

3.2.1 力學性能與熔化性能測試

通過在力學性能、熔化性能等方面對新型低銀無鉛電子釬料進行實驗測試，結果表明：新型釬料與不添加Bi 等元素的SAC0307 釬料相比，具有更強的抗拉強度，且其延伸率比SAC0307 釬料降低了約10%。新型低銀無鉛電子釬料的Sn-Bi 相圖如圖1所示。

圖1 Sn-Bi 相圖

表明溫度下降時，Bi 在Sn 中的溶解程度也會隨之下降，釬料凝固時，Bi 等元素能夠以固溶形式出現在釬料基體內；釬料冷卻時，Bi 則會以單質形式析出，從而阻礙了晶粒在材料冷卻后的變大問題，有利于獲得細化的基體組織。這種形式通過強化釬料的固溶、彌散效果，提升了釬料的抗拉強度，而釬料延伸率下降則跟Bi 發(fā)生局部偏析、局部固熔有關，但整體的力學性能依然比SAC305 好。與SAC0307 相比，新型低銀無鉛電子釬料因添加了其他元素的釬料而具有更低的熔點，而二者的吸熱最高峰、融化起點則幾乎相同，其中添加了Bi 等元素的SAC0307 釬料只存在單一吸熱高峰和單一起始熔化峰。在其起始熔化峰出現時，β-Sn、Ag3Sn、Cu6Sn5等將會發(fā)生反應，從而產生三元共晶、Ag3Sn、β-Sn，進而呈現液相；在其出現吸熱高峰時，Cu6Sn5、β-Sn 出現液相，釬料熔程為15.1℃，能滿足電子領域對釬料的相關要求。另外，該釬料沒有低熔點共晶物，有利于進行可靠的焊接。

3.2.2 微觀組織測試

新型低銀無鉛電子釬料的顯微組織測試圖和SEM能譜分析分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 顯微組織測試圖

圖3 SEM 能譜分析圖

表明添加了Bi 等元素的SAC0307 釬料比傳統(tǒng)SAC0307 釬料的β-Sn 晶粒尺寸更??；SEM 能譜分析則表明，Bi 釬料內部組織由β-Sn 基體、共晶區(qū)及基體上細小Bi 顆粒構成，共晶區(qū)分布有粒狀Ag3Sn、纖維狀Cu6Sn5等化合物，而基體上的Bi 顆粒易吸附于Ag3Sn 周圍，因此析出區(qū)域較為集中，由于Bi、Sn 元素的親和力強，使得Bi 能完全固溶入β-Sn 中，且不會增加金屬間化合物。

3.2.3 潤濕平衡測試

通過潤濕平衡測試，添加Bi 元素的SAC0307 釬料最大潤濕力比SAC0307 明顯更高，且潤濕時間比SAC305 和SAC0307 明顯更小，其原因為：由于SAC305 銀含量較低，無法更好地改善潤濕性，而在加入Bi 等元素后，SAC0307 潤濕力相關指標則好于SAC305。釬料潤濕進行的越早，潤濕工作也越早完成，這有利于提升焊接的質量。另外，不同活性的助焊劑對釬料的潤濕性能也有不同影響。

3.2.4 溶銅率測試

溫度提高會使銅的溶蝕更嚴重，而銅溶蝕速度則直接關系到焊接長是否耐久、可靠。在抗氧化、耐熔蝕等性能方面，不同溫度下添加其他元素的新型SAC0307 釬料與傳統(tǒng)SAC0307 釬料的溶銅率如圖4所示，可以看出相比傳統(tǒng)SAC0307，添加Bi 等元素后的釬料溶銅率明顯降低，這是由于Bi 等元素穩(wěn)定并抑制了金屬間化合物的生長?？垢邷匮趸瘻y試則顯示48 h 后SAC0307 焊錫球已開始發(fā)黃，而添加了Bi等抗氧化元素的新型SAC0307 由于可抵抗空氣對流環(huán)境而不會產生變色情況。另外，雖然氧化渣產生量與氧化時間呈正相關，但新型SAC0307 卻較少，這與其長效抗氧化的特性密切相關。

圖4 新型釬料與傳統(tǒng)釬料的溶銅率

3 結語

低銀無鉛釬料具有廣闊的研究與應用空間，但目前已開發(fā)的許多無鉛釬料產品尚需要進一步的改良。本文在探究Sn-Ag-Cu 系無鉛釬料應用情況的同時，嘗試通過添加Bi 等元素來提升SAC0307 型低銀無鉛釬料的各項性能，實驗測試結果也表明：這一方式有利于細化釬料組織、改善釬料的抗拉強度等力學性能，有利于滿足電子行業(yè)對釬料熔化溫度的相關要求，有利于改善高溫下釬料的熔銅率。