Zn元素的添加對(duì)Sn58Bi共晶焊料合金性能的影響.pdf

1、在電子封裝領(lǐng)域中，低溫焊接可降低由于不同材料間熱膨脹失配性所引起的熱破壞性。于是，具有低熔點(diǎn)、潤(rùn)濕性好的Sn-Bi基焊料成了低溫焊接所需無(wú)鉛焊料之一。本文系統(tǒng)、深入地研究了添加Zn元素的Sn-58Bi共晶焊料樣品相關(guān)性能，即對(duì)CuZn大規(guī)模剝離現(xiàn)象，經(jīng)回流焊接和液態(tài)時(shí)效后焊點(diǎn)的拉伸、蠕變性能，以及經(jīng)電流和熱應(yīng)力共同作用后焊點(diǎn)機(jī)械性能等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。
　　CuZn的大規(guī)模剝離主要受Zn濃度的影響。在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間液態(tài)時(shí)效反應(yīng)后，僅

2、當(dāng)焊料樣品中Zn濃度大小達(dá)到0.67wt.％時(shí)，這種剝離行為才可能發(fā)生。和Sn-58Bi-0.7Zn塊狀焊料相比，大規(guī)模剝離現(xiàn)象更容易在小體積焊料球樣品中出現(xiàn)。焊料樣品的相關(guān)微結(jié)構(gòu)演化機(jī)制可通過(guò)向Cu-Sn-Zn等溫相圖中引入Zn的擴(kuò)散路徑進(jìn)行分析和解釋。此外，當(dāng)時(shí)效溫度大于Sn-58Bi-0.7Zn塊狀焊料液相線溫度時(shí)，Cu6(Sn，Zn)5和CuZn層間Sn的濃度會(huì)大幅度增加。這時(shí)，CuZn的大規(guī)模剝離行為就發(fā)生了。通過(guò)熱力學(xué)分析可

3、以得出，這種大規(guī)模剝離行為的發(fā)生，在一定程度上歸結(jié)于Cu6(Sn，Zn)5/CuZn界面處自由能的減少，而Sn濃度是影響這個(gè)自由能減小的主要原因。另一方面，與Sn-58Bi共晶焊料樣品相比，Sn-58Bi-0.7Zn焊料樣品的極限拉伸強(qiáng)度在回流焊接和液態(tài)時(shí)效后都分別得到提升。其中，Sn-58Bi-0.7Zn焊條樣品分別提升6.05％和5.50％，而焊點(diǎn)樣品則分別提升21.51％和29.27％。Cu/Sn-58Bi-xZn焊點(diǎn)增強(qiáng)的主要原

4、因是由于Zn的添加讓Bi晶粒得到細(xì)化，使斷裂面從基底和界面金屬間化合物之間轉(zhuǎn)移到了界面金屬間化合物和焊料之間。在經(jīng)回流焊接和液態(tài)時(shí)效后的矩形焊料樣品中，Sn-58Bi-0.7Zn矩形焊料的抗蠕變能力也都分別明顯大于Sn-58Bi矩形焊料。
　　此外，在拉伸試驗(yàn)期間，陽(yáng)極界面位置處界面金屬間化合物和富Bi層間連接性的大小會(huì)強(qiáng)烈影響電遷移和熱時(shí)效耦合Cu/Sn-58Bi-0.7Zn焊點(diǎn)的極限拉伸強(qiáng)度。由于富Bi層的持續(xù)生長(zhǎng)加速了孔洞和

5、裂紋形成，而裂紋在界面中進(jìn)一步傳遞將導(dǎo)致焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度降低。對(duì)于未加載電流應(yīng)力而僅進(jìn)行固態(tài)時(shí)效的焊點(diǎn)，在Cu-Sn-Zn/Cu-Zn界面處由Bi偏析所形成的空位及應(yīng)力集聚對(duì)其極限拉伸強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生極大影響。耦合應(yīng)力期間電流應(yīng)力能造成孔洞形核，所以耦合焊點(diǎn)的極限拉伸強(qiáng)度要小于時(shí)效焊點(diǎn)的極限拉伸強(qiáng)度。對(duì)于耦合樣品，通過(guò)有限元模型揭示了其陽(yáng)極界面處生成的富Bi層可承擔(dān)部分載荷，從而使焊點(diǎn)界面處的壓入深度得到減小。因此，耦合樣品的抗蠕變性要高于時(shí)效樣