銀包銅顆粒對SnBi焊料的影響

Sn42Bi58共晶焊料是一種應(yīng)用廣泛的低溫?zé)o鉛焊料，有著優(yōu)異的抗蠕變性和低熔點(diǎn)，能夠適用于不耐熱的元器件的焊接，并且可以作為多次回流中的低溫環(huán)節(jié)。Sn42Bi58共晶焊料含有大量的Bi，因此焊接會形成富Bi層，這往往會導(dǎo)致脆性，低電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率等可靠性問題。提高SnBi焊料的可靠性的方法有加入少量的Ag元素。還有一種比較新的技術(shù)，即往Sn42Bi58共晶焊料中加入銀包銅顆粒(Cu@Ag)。

由于Ag和Ag3Sn IMCs具有優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)性能，因此加入到Sn42Bi58焊料可以起到改善焊料的功能。但是Ag價(jià)格較高，因而可以選擇Cu@Ag來替代。為了驗(yàn)證Cu@Ag的對焊點(diǎn)各項(xiàng)性能的影響，Li等人做了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用的改良SnBi錫膏由15%Cu@Ag核殼顆粒，75%的SnBi共晶顆粒和10%的助焊劑組成。實(shí)驗(yàn)中時(shí)用到的Cu顆粒的粒徑為20-45μm，Ag殼的厚度為1-1.5μm。

圖1. Cu@Ag核殼顆粒放大圖像。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在添加了Cu@Ag核殼顆粒，殼和焊料之間會出現(xiàn)明顯的Ag原子濃度梯度，因而來自殼的Ag會連續(xù)擴(kuò)散到焊料中。在回流過程中Ag會和Sn形成 Ag3Sn IMC。Ag3Sn的出現(xiàn)一定程度細(xì)化了共晶結(jié)構(gòu)，有益于焊點(diǎn)強(qiáng)度。隨著Ag殼的消耗，Cu會暴露在焊料中并與Sn反應(yīng)形成Cu6Sn5。

焊點(diǎn)性能

對于普通SnBi焊料中，從電流圖中未發(fā)現(xiàn)有明顯電流強(qiáng)度，表明整體導(dǎo)電性較差。不同的是，SnBi焊料加入Cu@Ag后，當(dāng)富Bi相中的電流保持較低時(shí)，Cu核心和富Sn區(qū)域中的電流都顯著增加。這證明SnBi焊料的導(dǎo)電性可以通過添加Cu@Ag核殼顆粒來提高。

圖2. 焊點(diǎn)電流圖。(c1-c2)普通SnBi共晶焊料；(c3-c4)改良SnBi焊料。

在第一次回流期間，Ag殼的溶解不會直接影響SnBi焊料的熔化，因此改性的SnBi焊料的熔點(diǎn)基本沒變。不同的是，添加了Cu@Ag核殼顆粒使改性SnBi焊料的熱導(dǎo)率，電導(dǎo)率和拉伸強(qiáng)度顯著提高。改性SnBi焊料的熱導(dǎo)率提高到41 W.m-1K-1左右，比普通SnBi焊料顯著提高約90%。改性SnBi焊料的電導(dǎo)率比普通SnBi焊料提高了59%。改性SnBi焊料的抗拉強(qiáng)度提高到接近100MPa。

圖3. 普通SnBi共晶焊料(a1,b1,b2,c1,c2)和改良SnBi焊料(a2,b3,b4,c3,c4)的性能和微觀結(jié)構(gòu)對比。

焊點(diǎn)斷裂模式

如圖3所示，在SnBi焊料中，斷裂行為由富Sn相的韌性和富Bi相的脆性之間的相互作用決定。明顯的是，裂紋會傾向于優(yōu)先沿脆性富Bi相擴(kuò)展。因此，SnBi焊料的斷裂機(jī)制歸因于脆性富Bi相。然而，添加Cu@Ag核殼顆粒后，焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了凸起和凹坑形態(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。盡管斷裂表面仍然以富Bi相（黃色）為主，但出現(xiàn)了分散的富Sn相（藍(lán)色），Cu6Sn5 IMCs（紫色）和Ag3Sn顆粒（綠色）。焊點(diǎn)斷裂行為從主要脆性斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈院晚g性混合斷裂模式。

參考文獻(xiàn)

Li, S.Q., Li, Q.H., Cao, H.J., Zheng, X.Z. & Zhang, Z.H. Significant enhancement of comprehensive properties of SnBi solder through the addition of Cu@Ag core-shell particles. Materials Science and Engineering: A, vol.881.