SnBi—SACBN复合锡膏焊后微观组织及力学性能

付海丰　刘洋　孙凤莲　张浩　王敏

摘要：针对低温无铅钎料Sn58Bi （SnBi）焊后脆性问题，采用机械混合方法向SnBi无铅锡膏中分别加入质量分数0.5%、1%、5%的SACBiNi （SACBN）合金粉末制备复合锡膏。借助扫描电镜对复合锡膏焊后合金微观组织形貌、成分进行研究，通过纳米压痕法对复合钎料力学性能进行表征。实验结果表明：随着复合锡膏中SACBN微粒含量增加，焊后合金微观组织中βSn相增多，富Bi相含量降低，合金中由富Bi相构成的细小网状组织结构得到抑制。当锡膏中SACBN微粒含量由0增大至5%时，合金硬度从219.05N/mm2下降到174.18N/mm2，弹性模量由5.93N/mm2下降到2.86N/mm2。

关键词：SnBi；复合锡膏；界面组织；硬度；弹性模量

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.010

中图分类号： TG42

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）01-0051-04

Abstract：Aiming at the brittleness of Sn58Bi （SnBi） solder joints， the SnBi composite pastes were prepared by mechanical mixing method with SACBiNi （SACBN） alloy powder. The concentration of the additives was 0， 0.5， 1， and 5 wt%， respectively. The microstructure and composition of the assoldered alloys were investigated by SEM. Meanwhile， the mechanical properties of the alloys were characterized by nanoindentation method. Experimental results indicate that with the increase of the SACBN content in the composite solder pastes， the concentration of βSn phase increased. In contrast， Birich phase was reduced after reflow. The refined reticular structure of Birich phase was suppressed in the alloys. As the increase of SACBN particles increased from 0 to 5 wt%， the hardness of the alloy decreased from 219.05 N/mm2 to 174.18 N/mm2. Meanwhile， the elastic modulus decreased from 5.93 N/mm2 to 2.86 N/mm2.

Keywords：SnBi； composite solder paste； interfacial structure； hardness； elastic modulus

0引言

隨着微连接行业的快速发展，无铅钎料的研发与应用得到了广泛重视[1]，多级封装结构需经过多次回流焊工艺，针对每一封装级别需选用具备相应熔点的无铅钎料进行连接。因此分为低温钎料、中温钎料以及高温钎料。其中共晶Sn58Bi （SnBi）钎料的熔点为139℃，广泛应用于二级封装或三级封装中的低温钎焊连接。SnBi钎料具有成本低、润湿性好、孔隙率低等特点[2-6]，在微电子行业中应用广泛。然而SnBi钎料中Bi含量较高，由于富Bi相脆性较大，对钎焊接头塑性、韧性造成影响，容易发生接头脆性断裂[6-8]。因此，针对SnBi钎料的成分与性能优化是低温封装领域的研究热点。

通过合金熔炼在SnBi中添加其它組元成为其性能优化的主要方式，Elton及胡丽等研究发现[10-12]，在SnBi钎料中添加适量Ag具有改善合金塑性的效果，当Ag质量分数为0.5～1.0%时，合金伸长率最高。张富文等[13]研究发现，适量Cu的添加对于SnBi合金的脆性同样具有一定的抑制效果。李群[14]等的研究表明，钎料中添加Al有利于其力学性能的改善，当钎料中Al元素质量分数达到1%时，其拉伸强度增加了9.57%。然而，钎料中Al的添加导致其润湿性下降。Zhang等[15]通过在熔融的Sn中加入Bi和SnSb中间合金的方法制备了复合钎料，研究了Sb含量对SnBi钎料性能的影响。当钎料中Sb质量分数达到2%时，焊点的剪切强度达到最大值。Liu等[16]通过在SnBi焊膏中加入Y2O3颗粒制备复合焊膏，研究了Y2O3颗粒的添加对SnBi钎料微观组织及剪切性能的影响。综上所述，在SnBi钎料中添加Ag、Cu等其它组元有利于钎料合金性能的改善。但常规的合金熔炼方法将对钎料合金熔化特性产生影响，进而影响其钎焊工艺性能。因此，本研究中采用机械混合的方式向SnBi焊膏中添加SnAgCuBiNi （SACBN）合金粉末，制备SnBi复合锡膏。在不改变锡膏熔化特性的前提下，通过钎焊过程中熔融SnBi合金与固态SACBN微粒之间的冶金反应，获得优化的钎焊接头，研究SACBN微粒添加对复合锡膏焊后微观组织及力学性能的影响。

1实验

采用市售SnBi锡膏与课题组研发的SACBN合金微粒进行机械混合，制备复合锡膏。其中，SACBN微粒质量分数分别为0、0.5、1、5%。通过钢网印刷的方式在清洁铝板上印刷体积均匀的锡膏点。采用等温加热设备进行回流焊，控制回流温度为180℃，回流时间90s，获取焊后钎料合金试样。本文重点研究焊后钎料合金微观组织与力学性能。为避免钎料与基板界面反应的影响，采用与钎料不润湿的铝板作为基板，借助熔融钎料表面张力的作用，制备球型焊点试样。

对试样分别进行镶嵌、打磨、抛光、腐蚀等处理，采用扫描电子显微镜与能谱分析对焊点进行微观组织观察及成分分析。借助纳米压痕设备对焊点微观力学行为进行表征[17]。设定参数最大载荷100mN，加载时间10s，加载速率10mN/s，为了减小测试误差，对每种焊点分别进行10次压痕测试取平均值，获取其微观力学性能参数。

2结果讨论

2.1显微组织

图1（a）所示为SnBi共晶焊点的微观组织形貌，其微观组织呈细小的网状结构。图1（b）为SnBi共晶焊点微观组织的局部放大图。能谱分析表明，表面不规则网状组织为富Bi相组织，而基体灰色相为βSn。

3结论

1）采用机械混合的方法制备了SnBiSACBN复合锡膏。该复合锡膏可采用与SnBi相同的焊接工艺进行焊接。

2）随着复合锡膏中SACBN微粒含量增大，焊后合金中βSn相增多，富Bi相含量降低，同时合金中由富Bi相构成的细小网状组织结构得到抑制。

3）当复合锡膏中SACBN微粒焊料由0增大至5%时，焊后合金硬度由219.05N/mm2下降为174.18N/mm2，弹性模量由5.93N/mm2下降至2.86N/mm2。

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（编辑：温泽宇）