稀土Ce對(duì)Sn-Ag-Cu和Sn-Cu-Ni釬料性能及焊點(diǎn)可靠性影響的研究.pdf

1、為適應(yīng)電子、家電等行業(yè)滿足RoHS指令的需要，迫切需要研制開發(fā)可替代Sn-Pb釬料的無鉛釬料。研究無鉛釬料的目的，不只是簡(jiǎn)單地提供一種替代品，還需要考慮無鉛釬料的力學(xué)性能、釬焊性能及焊點(diǎn)可靠性能夠與傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料相近、釬焊設(shè)備與工藝盡量改動(dòng)不大等因素，因此開展無鉛釬料的研究具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文根據(jù)電子工業(yè)無鉛釬料發(fā)展的需要和生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，研究了稀土元素Ce對(duì)兩種最具代表性的Sn-3.8Ag-0.7Cu和Sn-0

2、.5Cu-0.05Ni無鉛釬料合金組織、性能及焊點(diǎn)可靠性的影響。
　　 本文首先研究了Sn-Ag-Cu-Ce與Sn-Cu-Ni-Ce無鉛釬料的物理性能、潤(rùn)濕與鋪展性能。研究結(jié)果表明，Sn-Ag-Cu-Ce與Sn-Cu-Ni-Ce釬料具有比傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料更好的導(dǎo)電性能和密度，盡管熔化溫度比Sn-Pb釬料稍高，但是都在現(xiàn)有釬焊工藝可接受的范圍之內(nèi)。
　　 釬料的潤(rùn)濕、鋪展試驗(yàn)結(jié)果表明，Sn-Ag-Cu-Ce和Sn-Cu

3、-Ni-Ce無鉛釬料在Au/Ni/Cu基板上均比在Cu基板上具有更好的潤(rùn)濕性能。采用N2保護(hù)釬焊，可降低釬料周圍的氧濃度，使得基板表面難以迅速形成新的氧化膜，因而在240℃～280℃范圍內(nèi)釬料的潤(rùn)濕性能均得到了顯著的提高，在相同溫度與相同基板的條件下，采用N2保護(hù)可使釬料潤(rùn)濕時(shí)間縮短10％~45％，潤(rùn)濕力也得到大幅提高。
　　 研究發(fā)現(xiàn)：添加微量的Ce元素，可使Sn-Ag-Cu與Sn-Cu-Ni釬料的潤(rùn)濕、鋪展性能有顯著的提高，

4、釬料在基板上的鋪展面積增大，潤(rùn)濕時(shí)間縮短，潤(rùn)濕力提高，潤(rùn)濕角減小。Ce的添加量在0.03％~0.05％左右時(shí)，Sn-Ag-Cu-Ce釬料的潤(rùn)濕鋪展性能最佳，其潤(rùn)濕時(shí)間比未添加Ce的Sn-Ag-Cu釬料縮短了20％~40％；對(duì)于Sn-Cu-Ni-Ce釬料來說，Ce的添加量在0.05～0.07％左右時(shí)，潤(rùn)濕鋪展性能最好，潤(rùn)濕時(shí)間比Sn-Cu-Ni釬料縮短了15％~40％。研究發(fā)現(xiàn)，Ce是表面活性元素，在Sn-Ag-Cu釬料和Sn-Cu-Ni

5、釬料表面均有富集現(xiàn)象，Ce的表面富集降低了熔融釬料的表面張力，有效地提高了無鉛釬料的潤(rùn)濕、鋪展性能。
　　 焊點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，不管對(duì)于Sn-Ag-Cu還是Sn-Cu-Ni釬料，Ce的添加都將提高其QFP引腳焊點(diǎn)的拉伸力和片式電阻焊點(diǎn)的剪切力。當(dāng)Ce含量在0.03％左右時(shí)，Sn-Ag-Cu-Ce焊點(diǎn)的力學(xué)性能最佳。對(duì)于QFP32、QFP100和片式電阻三種電子元器件，Sn-Ag-Cu-0.03Ce焊點(diǎn)的拉伸力（剪切力）值分

6、別比Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)提高了4.56％、4.06％與3.81％；對(duì)于Sn-Cu-Ni-Ce釬料來說，Ce的最佳添加量是在0.05％左右，此時(shí)，Sn-Cu-Ni-0.05Ce焊點(diǎn)的拉伸力（剪切力）值分別比Sn-Cu-Ni焊點(diǎn)提高了7.60％、5.12％與3.52％。理論分析表明，由于稀土元素Ce具有“親Sn”效應(yīng)，即Ce元素優(yōu)先與Sn元素結(jié)合，因此，Ce的添加可使釬料合金以及焊點(diǎn)的組織細(xì)化、均勻化，可以有效地避免Sn元素與Ag元素結(jié)合生

7、成粗大的Ag3Sn金屬間化合物，從而提高了焊點(diǎn)的力學(xué)性能。
　　 對(duì)QFP引腳無鉛焊點(diǎn)和片式電阻無鉛焊點(diǎn)進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)（模擬焊點(diǎn)的實(shí)際服役情況）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間熱循環(huán)試驗(yàn)后，焊點(diǎn)力學(xué)性能隨著熱循環(huán)周期的增加而逐漸降低，而微量稀土元素Ce的加入可以延緩焊點(diǎn)力學(xué)性能的惡化，從而有效地提高焊點(diǎn)的可靠性。比較經(jīng)過2000周期熱循環(huán)之后的焊點(diǎn)力學(xué)性能變化情況發(fā)現(xiàn)，QFP32、QFP100和片式電阻三種電子元器件的Sn-Ag-Cu-

8、0.03Ce焊點(diǎn)的拉伸力（剪切力）分別比Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)高出14.29％、12.06％與10.31％，比Sn-Pb焊點(diǎn)分別高出51.01％、28.16％與41.87％；Sn-Cu-Ni-0.05Ce焊點(diǎn)的拉伸力（剪切力）值分別比Sn-Cu-Ni焊點(diǎn)高出18.71％、12.27％與14.03％，比Sn-Pb焊點(diǎn)分別高出24.56％、17.29％與25.78％，說明Ce元素的加入對(duì)提高無鉛焊點(diǎn)的可靠性效果顯著。
　　 在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)

9、間的熱循環(huán)試驗(yàn)過程中，微量的Ce可有效抑制Sn-Ag-Cu-Ce/Cu界面處Cu6Sn5金屬間化合物的長(zhǎng)大，并抑制粗大Ag3Sn金屬間化合物的增加。QFP引腳無鉛焊點(diǎn)的拉伸斷口形貌表明，在長(zhǎng)時(shí)間熱循環(huán)條件下，Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)表現(xiàn)出較明顯的疲勞特征，而微量Ce元素的添加有助于減弱熱循環(huán)對(duì)無鉛焊點(diǎn)可靠性的不利影響。在Sn-Cu-Ni-Ce無鉛焊點(diǎn)中，0.05％左右的Ce含量對(duì)界面處金屬間化合物的抑制作用最為顯著。
　　 為了研究

10、金屬間化合物與無鉛焊點(diǎn)力學(xué)性能之間的關(guān)系，采用納米壓痕法測(cè)定了無鉛焊點(diǎn)中金屬間化合物及釬料基體的彈性模量和納米壓痕硬度等力學(xué)性能參量。試驗(yàn)結(jié)果表明，Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)中Cu6Sn5與Ag3Sn金屬間化合物的彈性模量分別為114.2±4.6GPa和79.9±4.2GPa，壓痕硬度分別為5.57±0.28 Gpa和3.05±0.22 Gpa，Sn-Cu-Ni焊點(diǎn)中(Cu，Ni)6Sn5金屬間化合物的彈性模量以及壓痕硬度均與Sn-Ag-Cu

11、焊點(diǎn)中Cu6Sn5的試驗(yàn)結(jié)果一致。金屬間化合物的彈性模量和壓痕硬度均與釬料基體有較大的差異，進(jìn)一步證明影響無鉛焊點(diǎn)可靠性的關(guān)鍵因素是焊點(diǎn)中的金屬間化合物Cu6Sn5與Ag3Sn。通過理論計(jì)算得到Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Cu-0.03Ce、Sn-Cu-Ni、Sn-Cu-Ni-0.05Ce和Sn-Pb釬料基體的蠕變應(yīng)變速率敏感指數(shù)m分別為0.0922、0.0886、0.1286、0.1248和0.1832，蠕變應(yīng)力指數(shù)n則分別為10.