添加納米Cu6Sn5顆粒對SnBi釬料合金組織和性能的影響-深圳市福英達
添加納米Cu6Sn5顆粒對SnBi釬料合金組織和性能的影響
1.
隨著電子設備在日常生活中的普及，錫基無鉛焊料在電子工業中的重要性逐漸凸顯。為防止電子設備在高溫焊接損壞，低溫焊接和低熔點焊料的研究在廣泛進行中。
Sn42Bi58(Ag) 焊料具有抗拉強度高、熔點低的特點，是一種很有潛力的無鉛焊料。然而Sn42Bi58焊料的合金的某些性能仍需增強。
用微粒增強釬料合金是改善釬料合金性能的有效途徑。三種用于增強的顆粒類型為：金屬顆粒、氧化物顆粒和金屬間化合物(IMCs)的納米顆粒。Cu6Sn5納米顆粒是一種有效的低溫燒結材料，這里總結了Cu6Sn5納米顆粒的加入對釬料組織、拉伸性能、蠕變行為和耐腐蝕性能的影響。
圖1. (a) Sn58Bi粉末和(b) Cu6Sn5納米顆粒的掃描電鏡圖像。
2. 不同濃度Cu6Sn5納米顆粒對SnBi釬料的微觀結構影響分析
背散射電子(BSE)圖像顯示，加入Cu6Sn5后，由于非均相形核，焊點微觀結構變得更加精細。當Cu6Sn5的濃度達到0.1 wt%時，由于納米顆粒的團聚，組織再次變得粗糙。能譜儀(EDS)分析表明，Cu元素在富bi和富sn相中分布均勻，不同于含Cu納米顆粒的SnBi, Cu傾向于在富sn相中分散。這是因為Cu6Sn5納米顆粒在本工作的復合焊料中不與錫反應。
圖2. (a)SnBi，(b)SnBi-0.03 cu6sn5，(c)SnBi-0.05 cu6sn5和(d)SnBi-0.1 cu6sn5釬料微觀結構的BSE圖像。
圖3. SnBi-0.05Cu6Sn5焊料的元素映射:(a) (b) Sn，(c) Bi和(d) Cu的二次電子(SE)圖像和EDS映射。
3. Cu6Sn5納米顆粒微合金化SnBi釬料的拉伸性能
納米顆粒的加入削弱了Cu6Sn5 IMC納米顆粒與SnBi基體之間的結合，導致其極限抗拉強度(UTS)降低。但復合釬料的UTS仍高于SnAgCu和SnAg釬料。納米顆粒的加入增大了延伸率，在加入0.05 wt%納米顆粒時觀察到最大延伸率。彈性模量隨著納米顆粒濃度的增加而不斷增大，在0.05 wt%時達到最大值。Cu6Sn5納米顆粒的存在也降低了孔隙率，從而提高了彈性模量。拉伸斷口的SE圖像表明，納米顆粒的加入使脆性SnBi焊料向更具有延展性轉變。然而，過多的（0.1wt%）納米顆粒會由于聚集而降低納米Cu6Sn5 imc的改善效果，使延伸率降低。
圖4. (a) SnBi-xCu6Sn5 (x=0, 0.03, 0.05, 0.1)焊錫板的拉伸應力-延伸率曲線;(b)不同Cu6Sn5濃度試樣的極限抗拉強度和彈性模量的變化。
圖5. (a) SnBi， (b) SnBi-0.03 cu6sn5， (c) SnBi-0.05 cu6sn5和(d) SnBi-0.1 cu6sn5焊錫板拉伸斷裂的SE圖像。
4. 通過納米壓痕試驗測量蠕變行為的結果
在峰值荷載為20 mN的情況下，保持30 s以表現不同試樣的蠕變行為。穿透深度隨著Cu6Sn5濃度的增加而減小，蠕變抗力也逐漸增大。加入Cu6Sn5納米顆粒后，SnBi釬料的蠕變變形得到顯著改善，0.05%和0.1%質量百分比的復合釬料的抗蠕變性能最佳。所有復合釬料的蠕變應變率均低于純釬料。加入Cu6Sn5納米顆粒后，主要蠕變機制由位錯爬升轉變為晶界滑移，導致最終蠕變應變率降低。
圖6. (a)不同納米顆粒濃度下壓痕試驗的載荷-穿透曲線，(b)峰值載荷為20 mN 30 s下試樣的蠕變過程，(c)不同Cu6Sn5納米顆粒質量百分比下蠕變應變率的變化，(d)各種復合釬料合金的蠕變應力指數。
5. 不同Cu6Sn5納米顆粒濃度的復合焊料樣品的耐腐蝕性
在測試5、10和15天后計算腐蝕速率。結果表明，納米顆粒的加入提高了耐蝕性，降低了腐蝕速率的增長。微觀組織分析表明，復合釬料產生了更多的微納米抗腐蝕粒子，作為腐蝕屏障，降低了釬料基體的點蝕傾向。加入Cu6Sn5納米顆粒為0.05%抗腐蝕性最好。
圖7. 不同Cu6Sn5納米顆粒濃度復合焊料腐蝕速率的比較。
圖8. 腐蝕15天后(a) SnBi， (b) SnBi-0.03 cu6sn5， (c) SnBi-0.05 cu6sn5和(d) SnBi-0.1 cu6sn5焊料表面的SE圖像。
用10 nm的Cu6Sn5納米顆粒改善SnBi釬料合金性能。在測試中，0.05% Cu6Sn5納米顆粒的焊接性能最好。Cu6Sn5納米顆粒的加入細化了SnBi釬料的微觀結構。與純試樣相比，復合材料的拉伸性能由脆性向延性轉變。納米壓痕試驗表明，SnBi-Cu6Sn5樣品的抗蠕變能力通過蠕變機理的轉變得到增強。在腐蝕實驗中，含有納米顆粒的樣品表現出較低的腐蝕速率。這種金屬間化合物納米粒子的強化將為焊料微合金化提供新的認識。
6. 微納米增強焊料
1. 高強度低溫焊料FL170/FL180/FL200采用微納米增強顆粒彌散在焊料中，細化了組織結構，抑制了Bi的富集，其可靠性明顯改善；
2.可實現170~200℃低溫焊接，適用于非耐熱元器件及薄型基板芯片；
3.高強度低溫無鉛焊料使用方式廣：印刷、點膠、針轉移、蘸膠、噴印等；
4.焊料粒徑范圍廣，適合各種焊點間距：T3～T7；
參考文獻
Effects of nanoscale Cu6Sn5 particles addition on microstructure and properties of SnBi solder alloys. Nanotechnology Weekly. PP.192.
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