納米銅對(duì)SnBi焊料的可焊性和微觀結(jié)構(gòu)影響-深圳福英達(dá)
納米銅對(duì)SnBi焊料的可焊性和微觀結(jié)構(gòu)影響-深圳福英達(dá)
隨著無(wú)鉛焊料的發(fā)展，SnAgCu和SnBi焊料成為了傳統(tǒng)錫鉛焊料的主要替代品，適用于不同的封裝場(chǎng)景。共晶SnBi58焊料因其低熔點(diǎn)（139℃）和低成本，在工業(yè)上尤其是低溫焊接領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，SnBi焊料的脆性限制了其在高可靠性封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，抑制SnBi焊料的脆性、提高其機(jī)械性能具有重要意義。
細(xì)化焊料微觀結(jié)構(gòu)是提高焊料質(zhì)量的有效方法之一?？紤]到整個(gè)封裝的熱膨脹系數(shù)（TCE）不匹配，在焊接過(guò)程中提高冷卻速度并不是細(xì)化SnBi焊料的可行方法。因此，添加納米元素顆粒被認(rèn)為是細(xì)化焊點(diǎn)焊料微觀結(jié)構(gòu)的有效途徑。
在錫基無(wú)鉛焊料中，銅是一種常見(jiàn)的添加元素。在回流焊過(guò)程中，Cu與熔融Sn形成Cu6Sn5金屬間化合物。然而，固液反應(yīng)可能會(huì)影響銅納米顆粒在混合焊膏中的分布，并導(dǎo)致焊料的潤(rùn)濕性降低。此外，增加焊料中銅的含量可能會(huì)降低焊料和焊盤(pán)之間的銅擴(kuò)散速率。
為了研究添加納米銅對(duì)SnBi焊料的可焊性影響，Liu等人通過(guò)模板印刷方法將焊膏印刷到具有 Cu?OSP 表面處理的 FR?4 板上以及不潤(rùn)濕基板上，使用典型焊接工藝進(jìn)行焊接。將焊料粉末與納米Cu顆粒通過(guò)機(jī)械混合方法混合30分鐘。混合焊膏中納米Cu的濃度分別為0、0.5、1、2和3wt%。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
SnBi?納米銅焊膏的可焊性
圖1顯示了 SnBi 共晶焊膏和 SnBi?3nano Cu 焊膏的 DSC 曲線。從圖中可以看出，兩種焊膏顯示出相似的 DSC 曲線。兩種類(lèi)型的固相線溫度均約為136℃，但液相線溫度略有差異。
圖1.SnBi和SnBi-納米銅錫膏的DSC曲線。
潤(rùn)濕性
焊膏的潤(rùn)濕性由鋪展率 SR 評(píng)估，其表達(dá)式為：
SR=（D-H)/D*100
其中 D 是焊膏的等效直徑，可通過(guò)在非潤(rùn)濕基板上回流焊測(cè)量。H 是焊膏潤(rùn)濕到銅基板后焊點(diǎn)的高度。根據(jù)鋪展率方程，SR 值越高，說(shuō)明焊膏的潤(rùn)濕性越好。如圖 2 所示，SnBi焊膏的 SR 值約為 82%。而SnBi-nano Cu焊膏的 SR 值都在 70-72 % 左右。這表明在SnBi焊膏中添加納米銅會(huì)導(dǎo)致銅基板潤(rùn)濕性下降。
圖2. 不同含量的納米銅焊膏的鋪展率。
SnBi?納米Cu/Cu的微觀焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)
圖3顯示了SnBi-nano Cu/Cu焊點(diǎn)中焊料塊的微觀結(jié)構(gòu)。如圖3 a、b 所示，SnBi/Cu 焊膏中焊料體的微觀結(jié)構(gòu)主要以富Sn和富Bi相為基礎(chǔ)。隨著納米銅在錫鉍焊膏中的添加量達(dá)到 0.5 和 1 wt%，焊料體的微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了細(xì)化趨勢(shì)，如圖3 a、c、d 所示。在加熱過(guò)程中形成固體Cu6Sn5金屬間化合物顆粒，并增加冷卻過(guò)程中形成的Bi晶粒和SnBi共晶相的成核點(diǎn)。適當(dāng)?shù)募{米銅添加有利于焊料塊的晶粒細(xì)化。然而，隨著納米銅的添加量增加到 2-3 wt%，晶粒細(xì)化受到了限制。
圖3. SnBi?納米 Cu/Cu 焊點(diǎn)焊料塊的微觀結(jié)構(gòu)：a、b SnBi/Cu； c SnBi?0.5 wt%納米銅；d SnBi?1wt%納米銅；e SnBi?2wt%納米銅；f SnBi?3wt%納米銅。
參考文獻(xiàn)
Liu, Y., Zhang, H., & Sun, F. (2015). Solderability of SnBi-nano Cu solder pastes and microstructure of the solder joints. Materials in Electronics, 27(3), 2235–2241.
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