玻璃粉对片式电阻面电极耐焊性的影响

赵科良，梅 元，徐小艳，党莉萍，陆冬梅



玻璃粉对片式电阻面电极耐焊性的影响

赵科良，梅 元，徐小艳，党莉萍，陆冬梅

（西安宏星电子浆料科技有限责任公司，陕西 西安 710065）

研究了Ca-Si-Al-B和Bi-Si-Al-B两种不同玻璃粉对片式电阻面电极（C1）耐焊处理前后电阻率的影响。结果表明，当Ca-Si-Al-B玻璃质量分数为4%~6%时，C1产品具有良好的电性能以及优异的耐焊特性。SEM和EDS分析表明含有Ca-Si-Al-B玻璃的C1经耐焊处理后导体层保留有较厚且连续的银层，这主要是由于Ca-Si-Al-B玻璃粉在烧结时形成的钙长石针状结构对银的“封锁”和与钎料较大的表面张力造成。

银浆；片式电阻；面电极；耐焊性；玻璃粉；无铅钎料

近年来，片式元件是电子元件发展的主流和方向，其中片式电阻器技术已进入到一个迅速升级换代的时期，全球片式电阻器的年需求量已经超过了1万亿只[1-2]。就片式电阻器的发展方向来讲，主要有超小型化、绿色环保化、高精度化、低温度系数化以及贱金属化[3]。

片式电阻器通过丝网印刷面电极、电阻、背电极浆料以及保护浆料，经高温烧结制作而成。其在使用过程中需要进行焊接，焊接时无铅钎料对片式电阻面电极（简称C1）存在侵蚀，降低面电极银层的性能，更为严重者导致片式电阻产品断路[4-10]。传统面电极浆料中均含有钯，因钯元素对面电极抵抗钎料侵蚀有良好的保护作用。但随着行业发展低成本要求，各大厂商提出了产品无钯化的需求。为此，各浆料厂商纷纷展开对无钯耐焊型面电极浆料研究。

国内对无钯耐焊型面电极浆料研究较少，为适应片式电阻器低成本高可靠性的发展要求，本文研究了片式电阻器面电极浆料粘结剂性能，制备了无钯耐焊型片式电阻器用面电极浆料，该浆料具有优异的抗钎料侵蚀特性，可较好满足片式电阻器行业的低成本高性能要求。

1 实验

1.1 原材料及设备

银粉（平均粒径0.5 μm）纯度为99.8%、Ca-Si-Al-B系玻璃粉末(平均粒径3 μm，简称F-Ca)、Bi-Si-Al-B系玻璃粉末(平均粒径3 μm，简称F-Bi)均为自制，乙基纤维素、松油醇均为分析纯，纯度96%的Al2O3陶瓷基板、无铅钎料（“96.5Sn3.0Ag0.5Cu”）、助焊剂（主成分松香，中性体系）。

捷克TESCAN VEGA 3LMH扫描电子显微镜；牛津INCA x-cat 51-ADD0007能谱仪；马尔文HYDRO2000MU激光粒度分析仪；贝士德仪器科技3H-2000BET-A比表面积分析仪；SURFCON 480B表面粗糙测试仪；Agilent 34410A电阻率测试仪。

1.2 样品制备与测试方法

按一定质量比例称取银粉、玻璃粉以及乙基纤维素和松油醇的混合物，搅拌均匀，经三辊轧机轧制成浆料，细度控制在10 μm以下。

浆料通过丝网印刷在Al2O3陶瓷基板上形成100方（1方为长和宽为1 cm的正方形）的电极，经烘干，850 ℃烧结10 min形成待测电极。

采用电阻率测试仪测试电极阻值，计算方阻（方阻=阻值/方数）。

耐焊处理：将电极浸蘸一定的助焊剂，浸于260 ℃的无铅钎料槽中，停留10 s取出，清洗后测其阻值并计算方阻。

1.3 钎料侵蚀原理

片式电阻产品在电镀镍、电镀锡时，由于包封层导电性差，在电镀层和包封层之间存在间隙，使产品在后期电路焊接过程中，钎料沿缝隙玻璃进入C1层如图1所示，对C1层形成侵蚀，甚至断路。

由图1可以看出，随着侵蚀程度的增加，C1层持续被破坏，直至断路。

图1 钎料侵蚀示意图

2 分析与讨论

2.1 玻璃质量分数对C1电性能的影响

目前由于片式电阻行业降成本要求，在满足电性能即较低的方阻（5~10 mΩ/□，7 μm）的同时，无钯化及贵金属含量降低已成为研究的主流。为此，研究了两种体系玻璃粉添加量对C1方阻性能的影响，结果如图2所示。

图2 玻璃粉质量分数对C1方阻的影响

由图2可以看出C1银浆均随着玻璃粉质量分数的增加，C1的方阻呈增大趋势。当玻璃粉质量分数超过6%时方阻增大至20 mΩ/□左右，这主要是由于当玻璃质量分数增加，在烧结过程中玻璃粉阻断了银的连续性引起阻值增大。当玻璃粉质量分数超过14%时，方阻呈明显的增大趋势，这主要是玻璃粉在烧结过程中由于质量分数较高，上浮于银层之上，造成阻值明显增大。因此，C1浆料中玻璃粉的质量分数≤6%时具有优良的电性能。

2.2 玻璃质量分数对C1耐焊性的影响

图3为玻璃粉质量分数对C1耐焊处理后方阻的影响。由图3可以看出，当含有F-Ca玻璃的C1银浆，其质量分数≥4%时其耐焊处理后方阻约为10 mΩ/□。当含有F-Bi玻璃的C1银浆，其质量分数≥8%时其耐焊处理后方阻约为10 mΩ/□。

图3 玻璃粉质量分数对C1耐焊处理后方阻的影响

结合图2和图3可以看出，采用质量分数为4%~6%的F-Ca玻璃粉C1浆料具有良好的电性能和优良的耐焊性能。

2.3 C1耐焊处理后电性能分析

依照1.2所述方法，采用表1配方制备样品，经烧结形成电极。

表1 C1银浆配方

Tab.1 Formula of C1 silver pastes

采用1.2所述方法进行样品耐焊性评测，结果如表2和表3所示。由表2表3耐焊处理结果可以看出含钙系玻璃C1样品经钎料侵蚀后，阻值增大幅度小于含有Bi系玻璃C1样品，说明钙系玻璃在面电极受到钎料侵蚀时，能对面电极起到保护作用。而铋系面电极耐焊处理后测试第一次时，有部分出现了断路的现象，第二次以后全部断路，说明其表面银层被钎料侵蚀，出现了不连续的现象。这可能是由于Ca-Si-Al-B玻璃粉[11]在烧结时能够形成具有针状结构的钙长石(CaA12Si4O8)类化合物[12-17]，能够形成“钙长石-Ag-钙长石”的交替网络结构，将银牢牢封锁在网络内部。当进行钎料侵蚀时，表面银与锡形成银锡合金，银层被部分侵蚀，内部银层被钙长石的针状网络结构牢牢“封锁”，露出的钙长石化合物具有较大的表面张力，钎料不能被较好地浸润，如图4(a)所示，从而对银层具有较好的保护作用。相反，Bi-Si-Al-B玻璃粉[18]在烧结时不能形成“封锁”银层的结构体，在与钎料接触时能与其较好地浸润，如图4(b)所示，因而容易被钎料侵蚀，造成耐焊性较差。

表2 C1-A样品耐焊性测试结果

Tab.2 Results of C1-A sample after solder leaching

注：”×”表示未能测出数据。

表3 C1-B样品耐焊性测试结果

Tab.3 Results of C1-B sample after solder leaching

(a) C1-B；(b) C1-A

2.4 不同玻璃粉C1 SEM以及EDS分析

分别对含有F-Ca和F-Bi玻璃粉的C1烧结膜层断面进行耐焊前后的SEM和EDS分析，结果如图5、图6所示。

由图5（a1）、（a2）和图6（a1）、（a2）可以看出含有F-Ca玻璃的C1经耐焊3次试验后，仍有银层。而含有F-Bi玻璃的C1几乎没有银层残留，如图5（b1）、（b2）和图6（b1）、（b2）所示。这进一步说明含有Ca-Si-Al-B玻璃的C1具有较好的抗钎料侵蚀性能。

由Sn-Ag形成合金相图[19]可知Sn-Ag的共晶成分为Sn-3.5Ag，熔点为221 ℃，Sn中几乎不能固溶Ag，所形成的共晶合金组织是由不含Ag的纯β-Sn和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织，除了有微细的Ag3Sn弥散分布以外，还形成了最大可达数十微米的板状Ag3Sn初晶，这主要是由于采用F-Ca的玻璃粉经过烧结后，F-Ca玻璃粉形成具有钙长石的针状网络结构将银层牢牢“封锁”，致使在进行钎焊时银层受到保护，因而不易与无铅钎料（96.5Sn3.0Ag0.5Cu）形成Sn-Ag合金。从而使得元件表面的银层在进行多次钎焊或较长时间的焊接时，可有效阻止钎料的进一步侵蚀。因此元器件电极银层仍具有较好的导通性能，元器件的可靠性能大大提升。

(a1) C1-A耐焊处理前；(a2) C1-A耐焊处理后；(b1) C1-B耐焊处理前；(b2) C1-B耐焊处理后

(a1) C1-A耐焊处理前；(a2) C1-A耐焊处理后(b1) C1-B耐焊处理前；(b2) C1-B耐焊处理后

3 结论

通过研究Ca-Si-Al-B玻璃粉和Bi-Si-Al-B系两种不同体系的玻璃粉对片式电阻正面电极C1浆料的影响，发现：

（1）Ca-Si-Al-B玻璃粉在浆料中质量分数为4%~6%时，C1具有较低的初始方阻以及良好的耐钎料侵蚀特性；

（2）含有Ca-Si-Al-B玻璃粉的片式电阻面电极C1不易被钎料所侵蚀，这主要是由于Ca-Si-Al-B玻璃粉在烧结时形成的钙长石针状结构对银的“封锁”作用；

（3）含有Ca-Si-Al-B玻璃粉的片式电阻面电极浆料具有电阻率小、成本低、可靠性高的特点，其面电极浆料为片式电阻产品的规模化生产提供了良好的解决方案。

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（编辑：陈渝生）

Influence of different frits on solder-resistance of chip resistor surface electrode

ZHAO Keliang, MEI Yuan, XU Xiaoyan, DANG Liping, LU Dongmei

(Xi’an Hongxing Electronic Paste Co., Ltd, Xi’an 710065, China)

The effects of two kinds of frits, Ca-Si-Al-B and Bi-Si-Al-B on resistivity of chip resistor surface electrode (C1) were studied before and after dealing with soldering. The results show that C1 products have good electrical property and excellent solder-resistance property when mass fraction of Ca-Si-Al-B glass powder is 4%－6%. The analyses of the SEM and EDS declare that the silver layer of the C1 is well-stacked and continuous, which contains Ca-Si-Al-B glass powder after solder-resistance. This is mainly due to the silver being cordoned off by the calcium feldspar needle structure during the Ca-Si-Al-B glass powder sintering and the larger surface tension of the solder.

silver paste; chip resistor; surface electrode; solder-resistance; frit; lead-free solder

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.006

TQ174

A

1001-2028（2017）10-0037-04

2017-08-28

赵科良

陕西省高新技术产业发展专项项目资助（No. GX12003）

赵科良（1979－），男，陕西周至人，工程师，硕士，主要从事电子浆料产品开发与研究，E-mail: suany@126.com 。

2017-09-27 10:57

网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1057.006.html