納米銅對SnBi焊料的可焊性和微觀結構影響-深圳福英達
納米銅對SnBi焊料的可焊性和微觀結構影響-深圳福英達
隨著無鉛焊料的發展，SnAgCu和SnBi焊料成為了傳統錫鉛焊料的主要替代品，適用于不同的封裝場景。共晶SnBi58焊料因其低熔點（139℃）和低成本，在工業上尤其是低溫焊接領域得到了廣泛應用。然而，SnBi焊料的脆性限制了其在高可靠性封裝領域的應用。因此，抑制SnBi焊料的脆性、提高其機械性能具有重要意義。
細化焊料微觀結構是提高焊料質量的有效方法之一。考慮到整個封裝的熱膨脹系數（TCE）不匹配，在焊接過程中提高冷卻速度并不是細化SnBi焊料的可行方法。因此，添加納米元素顆粒被認為是細化焊點焊料微觀結構的有效途徑。
在錫基無鉛焊料中，銅是一種常見的添加元素。在回流焊過程中，Cu與熔融Sn形成Cu6Sn5金屬間化合物。然而，固液反應可能會影響銅納米顆粒在混合焊膏中的分布，并導致焊料的潤濕性降低。此外，增加焊料中銅的含量可能會降低焊料和焊盤之間的銅擴散速率。
為了研究添加納米銅對SnBi焊料的可焊性影響，Liu等人通過模板印刷方法將焊膏印刷到具有 Cu?OSP 表面處理的 FR?4 板上以及不潤濕基板上，使用典型焊接工藝進行焊接。將焊料粉末與納米Cu顆粒通過機械混合方法混合30分鐘。混合焊膏中納米Cu的濃度分別為0、0.5、1、2和3wt%。
實驗結果
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。
潤濕性
焊膏的潤濕性由鋪展率 SR 評估，其表達式為：
SR=（D-H)/D*100
其中 D 是焊膏的等效直徑，可通過在非潤濕基板上回流焊測量。H 是焊膏潤濕到銅基板后焊點的高度。根據鋪展率方程，SR 值越高，說明焊膏的潤濕性越好。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導致銅基板潤濕性下降。
圖2. 不同含量的納米銅焊膏的鋪展率。
SnBi?納米Cu/Cu的微觀焊點結構
圖3顯示了SnBi-nano Cu/Cu焊點中焊料塊的微觀結構。如圖3 a、b 所示，SnBi/Cu 焊膏中焊料體的微觀結構主要以富Sn和富Bi相為基礎。隨著納米銅在錫鉍焊膏中的添加量達到 0.5 和 1 wt%，焊料體的微觀結構出現了細化趨勢，如圖3 a、c、d 所示。在加熱過程中形成固體Cu6Sn5金屬間化合物顆粒，并增加冷卻過程中形成的Bi晶粒和SnBi共晶相的成核點。適當的納米銅添加有利于焊料塊的晶粒細化。然而，隨著納米銅的添加量增加到 2-3 wt%，晶粒細化受到了限制。
圖3. SnBi?納米 Cu/Cu 焊點焊料塊的微觀結構：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
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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