关键词:
Sn-Ag-Cu钎料
金属间化合物
纳米颗粒
合金化
界面反应
热时效
摘要:
电子封装技术广泛应用于电子产品的生产制造中,钎料作为一种连接材料,通过电子封装技术被用于实现电子元器件与印刷电路板的组装。随着环保意识的增强,电子产业开始追求绿色制造,对钎料的要求也有所提升,Sn-Pb钎料被禁止使用,其已经不再适用于电子行业,因此,Sn-Ag-Cu系无铅钎料已经成为Sn-Pb钎料的理想选择。然而,由于Sn-Ag-Cu系无铅钎料的特殊成分,它会形成Ag3Sn和Cu6Sn5金属间化合物,导致IMC层的厚度增加,降低焊接质量。因此本文选用Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)无铅钎料为基体,向其中添加不同量的Ag3Sn纳米颗粒,在此基础上再加入Sb元素,研究Ag3Sn纳米颗粒与Sb元素的添加对SAC305钎料的微观组织、熔化性能、润湿性能、IMC生长情况、剪切强度及其在150℃下时效不同时间的IMC生长情况与剪切强度的影响。研究表明:当向SAC305钎料中加入适量的Ag3Sn纳米颗粒,由于Ag3Sn纳米颗粒为熔融合金提供了新的形核点,达到了细化晶粒的作用,当添加量达到0.5wt.%时晶粒细化作用最为明显。随着Ag3Sn纳米颗粒的添加,复合钎料合金的熔化性能变化不大,因此可以继续沿用无铅钎料的相关工艺与设备。在润湿性能测试方面,随着Ag3Sn纳米颗粒的添加,复合钎料合金的润湿时间减短,润湿力增大,润湿性能增强,这是由于Ag3Sn纳米颗粒的表面能高,使熔融钎料的表面能降低,提高熔融钎料的流动性,从而提高了润湿性。在对界面IMC的生长情况方面,发现Ag3Sn纳米颗粒的添加改善了IMC层的形貌,降低了IMC层的厚度,抑制了IMC层的过度生长,剪切强度也有所提高。在经过150℃时效之后,发现Ag3Sn纳米颗粒的添加可以有效抑制IMC层的生长,且在热时效之后,复合钎料焊点仍然具有较大的剪切强度。综合各项性能测试得出结论当Ag3Sn纳米颗粒添加量为0.5wt.%时复合钎料的综合性能最好。在Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.5Ag3Sn纳米颗粒复合钎料中添加不同量的Sb元素。发现一部分Sb会固溶于Sn中,另一部分会形成Sn Sb金属间化合物,在复合钎料的基体组织中,发现由于异相形核点增多,加快了晶粒的形核过程,使小晶粒数量增多,从而抑制了晶粒的长大,达到细化晶粒的效果。由于加入的Sb熔点较高,Sb固溶在Sn中导致复合钎料的熔点提高,熔程增加,熔化性能下降,且润湿性能也会随着Sb含量的增加出现下降的趋势,但是整体影响不大,仍可以沿用目前所存在的工艺与设备。由于Sb的固溶强化,在回流焊后,复合钎料的扇贝状IMC层变得更加的细密,使得焊点的可靠性更强,并且在150℃时效后,IMC生长速率仅为3.6985×10-7μm2/s。在添加Ag3Sn纳米颗粒的基础上进一步降低,由于IMC层厚度与焊点可靠性息息相关,使得复合钎料获得更可靠的焊点。适量添加Sb元素能够提高焊点的剪切强度,在添加量达到3.0wt.%时剪切强度最大,达到了41.35MPa,在150℃时效后,各复合钎料焊点的强度均有下降,但是均比未添加Sb元素时的剪切强度更好。