Sn-Bi和Sn-Bi-Cu焊料焊接接头的热循环测试

Sn-Bi和Sn-Bi-Cu焊料焊接接头的热循环测试Sn-Bi共晶合金焊料是取代传统共晶锡铅焊料最佳的无铅焊料之一。这项研究是为了探讨二元共晶Sn-Bi合金和三元Sn-Bi-1％Cu合金焊接接头的性质，其中包括合金的成分分析和润湿性。此外，还要评价接头的微观结构，结合强度，断裂表面和接触电阻。润湿平衡实验的结果表明添加1%Cu对共晶Sn-Bi钎料合金与各种金属镀层间的接触角影响不大。经过2000次热循环后接头的粘附强度突然降低。此外，不匹配的热膨胀系数和热循环的作用会导致焊接接头的开裂。即使使用氧化铝基板，热疲劳依旧会在鱼片状焊缝边缘处产生裂纹，然后沿着焊缝接触表面传播。在接触电阻焊接热循环后，一旦Cu6Sn5的电阻率低于焊料，电阻率就不会随着加入的Cu量的增加而增加。42Sn-58Bi/Cu,SnBi-1Cu/Cu,42Sn-58Bi/PtAg和SnBi-1Cu/PtAg成分的焊接在接头完好的情况下，经过2000次热循环后接触电阻变化很小(△R＜0.5mΩ)。1引言焊接技术广泛应用于电子封装，其在电子行业中起着关键作用。事实上，焊点是一个必不可少的组成部分，它的作用不仅是一个电气连接，而且还作为一个机械枢纽[1，2]。如今，随着电子产品体积更小，速度更快的发展趋势，电子封装对于焊点的高可靠性的要求显得更加突出。焊点的可靠性是依靠于焊接材料、焊接条件、焊接方式的选择[3]。有了适当的焊接方式，性能更加优良的钎料合金和良好的焊接环境，就可以得到可靠的焊缝。共晶锡铅合金由于其较好的认知度和优异的性能广泛用于当今焊接工艺[1，4-7]。然而，锡铅钎料合金中的铅会对环境和人体健康产生毒害作用[4-6，8-14]。正是对这些因素的关注，使得近些年来对无铅焊料的研究投入不断加大。在焊接过程中，弧柱区会产生相当大的应变[15]。幸运的是，较低熔点的焊料可能会使残余应变减少。由于其较低的熔融温度，Sn-Bi共晶合金是一种可能用于焊接的低温度无铅焊料。当焊接设备容易发生热损伤时，低温焊接就显得尤其必要[4，16]。在不同材料的电子封装中，低温焊接热循环还可以减少由于热膨胀系数不匹配造成的损失[16]。低温焊接的另一个应用是用于多步焊接中的打底焊。随后步骤所用焊料的熔点应该低于前面步骤焊料的熔点[11,16]。共晶Sn-Bi焊料的拉伸强度大于共晶Sn-Pb焊料[1,15]。此外，42Sn-58Bi焊料与共晶Sn-Pb焊料相比具有较好的抗蠕变性[1,8,17]。然而，42Sn-58Bi焊料合金在加热老化过程中，组织会发生粗化[8-10,14,17]。随着温度的升高，微观结构的不稳定可以抑制细小而分散的粒子焊料进入共晶Sn-Bi合金[8，9，14，17]。在微电子封装技术中，焊接接头在热循环下的失效一直都是最关键的问题。为了确保较高的可靠性，焊接接头的表征热循环性能是最关键的。炜和杜对Sn-Ag焊接接头热老化影响的研究进行了最新报道[18]。本研究的目的首先是调查预制二元Sn-Bi和三元Sn-Bi-Cu合金焊料的润湿性。各种焊接接头通过在预制焊料上加入不同的金属基板，并且接受一系列的热循环测试。我们探讨的主要内容是热循环对焊接接头的显微组织和力学性能的影响，此外，在热循环下，焊接接头的电阻也是我们研究的对象。2实验过程2.1钎料合金的配制共晶Sn-Bi和Sn-Bi-1％Cu合金焊料是通过纯锡，纯铋（纯度99.9％，台湾中正公司）以及纯铜（纯度99.9％，日本高纯度的化学研究中心）三种原材料制备而成的。原材料经称重和洗净后放入石英管中使其压力达到1×103pa。为了使原料混合均匀且合金成分稳定，将管子放置于1050℃的炉子中加热8小时并且加热的同时管子不断旋转。最后，停止加热，将管子迅速放入冷水中。当管子破裂后就得到了焊料合金。2.2预处理取样片Al2O3用ERSO(台湾电子研究组织)组装的各种配置模式的金属基板包括PtAg/Al2O3和Cu/Al2O3，如图1所示先取PtAg和Cu导体试样片，厚度分别为10毫米和15±20毫米，然后将取样片分别置于酒精和丙酮中清洗五分钟。图1PtAg和铜导体的配置模式(a)对接触电阻的测量(b)用1206LCCC电容器进行焊接(c)进行拉伸测试2.3焊接工艺2.3.1焊锡膏和FR4导体基板的连接商用42Sn-58Bi共晶合金焊膏是由88%和12%的RMA助焊剂（美国铟公司）组成。试验中试用了两种不同材料的FR4基板，其中包括铜和金/镍/铜导体。电容器(1206LCCC)被控温电烙铁焊接在铜导体上时，其他8个引脚被焊接在金/镍/铜导体上。焊接温度控制在200℃。角的焊接示意图如图2所示。2.3.2对预制的导电材料Al2O3进行焊接对预制的导电材料Al2O3进行焊接需要两个焊接步骤，首先，将（铜导体）/（氧化铝基板）和（PtAg导体）/（氧化铝基板）在熔融焊料中焊接。熔融焊料需置于水浴中，温度维持在200℃。然后，经过热浸后的取样片再次放到200℃有温控的热板上。同时，经过热浸后的取样片通过电容器焊接。最后，经过空冷形成焊接接头，如图2所示。图2对取样片的焊接示意图2.4热循环测试焊接接头受到30℃每分钟的快速热循环变化，从-55℃到100℃。如图3实际抗热冲击框图所示，每经过250个热循环周期，中断实验移出若干试样供随后分析用。图3实际抗热冲击框图2.5分析和测试2.5.1X-射线衍射实验预制铅料合金的相和晶体的组织结构是在由焊接协会所规定的X射线衍射仪(D/MAX-B,Rigaku,日本)与波长仪(0.15406nm)中确定的。扫描速率为每分钟4°。2.5.2润湿性测试铅料合金与金属基板的润湿角度同其润湿平衡有关(ST50,Metronelec,法国)。样本由一个敏感的弹簧系统来控制暂停，先将样本的边沿浸入预定深度的熔融焊料中，温度变化控制在±2℃。浸泡样品受浮力和表面张力产生的垂直力作用，其时间函数由一个高速记录机记录。2.5.3扫描电镜和电子探针用显微镜扫描电镜（SEM，JEOL840A，日本）和电子探针分析仪（电子探针，JXA-8800M，JEOL，日本）分别观察样本的组织和元素分布。此外，通过EPMA对预制合金焊料的成分进行分析。2.5.4ICP-AES测试ICP-AES测试用于三元焊锡合金材料中微量元素的测定，例如铜元素，用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES法）（ICAP的9000，等离子体灰，美国）。2.6粘结强度测量国际焊接大会对粘结强度测量的方法是运用拉伸测试仪。(SEBASTIANFIVE,QUADGroup,美国)。首先在基件表面垂直焊接一个螺柱，然后对螺柱施加拉力同时对基板进行支撑，当焊接接头发生断裂的时候拉伸机停止。拉伸测试示意图如图4所示。图4拉伸测试图2.7接触电阻的测量用欧姆表测量焊料/金属界面间的电阻(502A,ChenHwa,Taiwan)。如图1C所示，该方法就是欧姆法。3结果讨论3.1作为焊接用的焊锡合金焊料的特性3.1.1合金焊料的成分目前，我们对42Sn-58Bi和Sn-Bi-1Cu合金焊料的成分分析有两种方法，即ICP–AES法和电子探针法来测定其成分。表1列出了两种定量分析方法对样本测量分析后的结果。表1预制42Sn-58Bi和Sn-Bi-1Cu焊锡合金的电子探针和CPI分析合金Sn(wt%)Bi(wt%)Cu(wt%)备注二元共晶SnBi42.40±0.4357.60±0.43EPMA三元SnBi-1Cu43.41±1.7055.74±1.690.85±0.10EPMA三元SnBi-1Cu0.92±0.06ICP通过电子探针的测量，二元合金的组成为42.4+0.43wt%Sn和57.6+0.43wt%Bi。在二元Sn-Bi合金相图中，共晶焊料的组成为42wt%Sn和58wt%Bi。因此，焊接用的二元焊料合金的组成可视为在实验误差范围之内。通过电子探针对三元合金焊料的测量，结果显示其组成为43.41+1.70wt%Sn，55.74+1.69wt%Bi和0.85+0.10wt%Cu。同时，三元合金焊料中微量元素（铜）在经ICP-AES法测量后显示含量为0.92+0.06wt%。这就很好的说明了预制焊料的成分组成很接近于标称的成分组成。3.1.2润湿性测试焊料（42Sn-58Bi和Sn-Bi-1Cu合金）和金属基板之间的润湿角度同其润湿平衡有关。在润湿过程中，界面反应带来接触角的降低造成了接触界面能的下降。通常一个稳定的界面接触角需要几秒钟的时间才能形成。除了接触角的大小，接触角稳定的时间则是另一个润湿性指标。显而易见的是在Ni箔上焊料的润湿时间比在其他金属层上都要长，这种现象的产生可能是因为Ni在同焊料接触中产生了扩散屏障，延长了润湿时间。即Ni的反应活性低于其他金属。事实上，焊接母材，焊接焊料，焊接温度，焊接散热方式，焊接环境对润湿性也是有影响的，研究结果如表2所示。表2不同的金属箔和金属基板Sn-Bi和Sn-Bi-1Cu焊锡合金的接触角SnBiSnBi-1CuAufoil45.8°±5.0°46.2°±3.4°Agfoil51.3°±3.7°44.8°±4.4°Nifoil57.6°±6.6°67.2°±5.5°Cufoil48.5°±9.8°56.4°±6.4°Cuthickfilm/FR436.0°±6.2°35.2°±5.9°Cuthickfilm/Al2O337.0°±3.4°35.4°±5.3°PtAgthickfilm/Al2O355.3°±3.0°47.1°±7.1°这些数据表明，1.0wt%Cu对SnBi共晶合金焊料润湿性能的影响不是很大。在42Sn-58Bi合金焊料中增加1.0wt%Cu对于绝大多数金属基板的润湿性不会有很大的影响。3.2热循环测试3.2.1裂缝位置图5和图6展示的分别为42Sn-58Bi/Cu/FR4和42Sn-58Bi/Ni/Cu/FR4经0,500,1000,1500,2000次热循环后焊接接头的组织放大图。图5不同热循环次数（a）500（b）1000（c）1500（d）2000，42Sn-52Bi/Cu/FR4组织的形貌图6在热循环（a）500（b）1000（c）1500（d）2000次后，42Sn-52Bi/Cu/FR4组织的形貌我们可以观察到在1500个循环后，镍和焊料界面出现了一条裂缝，同时，我们又观察到即使在2000个循环后42Sn-58Bi/Cu/FR4界面也没有出现裂纹。有人认为，这种差异是由于共晶SnBi焊料，铜，FR4三者的热膨胀系数相对于镍的热膨胀系数不相同造成的。实验中所使用材料的热膨胀系数如表三所示。表3不同材料的热膨胀系数42Sn-58Bi15[10,16]Cu16.5[25]Ni13.3[25]Ag19.68[25]FR4(X-Yplane)17.7[26]Al2O37.1[2]一般认为，裂缝是由集中在焊接接头中的应力造成的。材料热膨胀系数的差别会导致热循环时焊接接头出现裂缝[19]。因为这些不匹配的热膨胀系数还会产生应力，所以在焊接接头处就会出现应力集中。焊接接头的连接方式也是焊接性能好坏的重要因素。对含铅或无铅焊料焊接的有限元(FEM)模拟已在相关文献中说明[20]。在热循环测试中，最大应力主要集中在焊跟和含铅接头的圆角处，而应变集中主要在无铅焊点边缘圆角处。观察图5和图6所示的接头组织裂缝放大图我们可以看出其形貌同有限元模拟情况很相近。1500次热循环后，我们对Cu/Al2O3和PtAg/Al2O3试样片基底上的42Sn-58Bi和Sn-Bi-1Cu焊料合金进行显微镜观察，其组织如图7所示。图7在1500次热循环下，显微镜下（a）42Sn-58Bi/Cu/Al2O3（b）Sn-Bi-1Cu/Cu/Al2O3（c）42Sn-58Bi/PtAg/Al2O3和（d）Sn-Bi-1Cu/PtAg/Al2O3的焊点组织形貌在1500次热循环后，焊接接头处出现很小的裂纹，而在1500次热循环前没有观察到裂缝。裂缝位于焊锡圆角的边缘，然后逐渐沿着接头结合处的金属界面延伸。因为焊