Bi基高溫無鉛釬料的制備及焊接性能研究.pdf

1、在傳統(tǒng)電子行業(yè)中，錫鉛合金是一種廣泛應(yīng)用于微電子封裝及電子產(chǎn)品組裝的焊接材料，由于其擁有熔點低、儲量豐富、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點，在所有的電子焊接材料中占據(jù)著重要的地位。但是由于Pb對人類健康和環(huán)境會造成巨大的危害，已經(jīng)頒布并實施的歐盟RoHS指令以及我國頒布實施的《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法》都已經(jīng)明確禁止使用Sn-37Pb釬料（熔點為183℃）。在電子封裝工業(yè)上正在使用的中溫無鉛釬料的典型類型有Sn-Ag(共晶成分熔點為22

2、1℃)、Sn-Cu（共晶成分熔點為227℃）等系列釬料合金。雖然含鉛量超過85％的高熔點Sn-Pb釬料合金（如常用的90Pb-10Sn釬料熔點為300℃-310℃）由于還沒有找到合適的替代品因而在RoHS指令中得到豁免，但隨著生活水平的不斷提高，以及人們對環(huán)境的保護意識越來越強，高熔點Sn-Pb釬料不可能永遠在RoHS指令中得到豁免，電子封裝工業(yè)中迫切需要研制新型高溫無鉛釬料來取代傳統(tǒng)的高鉛釬料。
　　Bi是一種無毒金屬，且Bi的

3、剪切模量(12GPa)和熔點(271℃)均與Pb-5Sn合金非常接近。Bi-2.6Ag共晶合金的熔點為262.5℃，硬度與Pb-5Sn相近，價格相比80Au-20Sn更要便宜得多，因而被認為是取代傳統(tǒng)Sn-Pb釬料的高溫無鉛釬料的最佳候選釬料。本文在Bi-2.6Ag共晶釬料合金中添加微量元素Sb、Sn、Cu，首先研究了不同Sb含量對Bi-Ag系釬料合金的熔點、潤濕性、剪切強度、電阻率、硬度等性能的影響，確定最佳Sb含量后，研究不同含量的

4、Sn及Cu對BiAgSb系釬料合金的熔點、潤濕性、剪切強度、顯微組織以及與Cu基板焊接截面IMC層的影響。主要結(jié)論如下:
　　1)當Sb含量在0％-8％范圍內(nèi)變化時，BiAgSb系釬料合金隨著Sb含量的增加，熔點從262.5℃增加到277.9℃;鋪展面積從25.1 mm2下降到17.7mm2,潤濕角從58°上升到70°;BiAgSb系釬料合金與Cu基板的剪切強度從23.5 MPa下降到15.8MPa;電阻率從1.22×10-6Ω·

5、m上升到1.39×10-6Ω·m;維氏硬度從41.6上升到66.2。
　　2)確定Sb含量為5％的Bi-2.6Ag-5Sb-xSn合金，當Sn含量在0％-3％范圍內(nèi)變化時，釬料合金的熔點降幅較明顯，從272.4℃下降到258.5℃;鋪展面積從20.6 mm2增加到28.5 mm2,潤濕角從65°下降到55°;BiAgSb系釬料合金與Cu基板的剪切強度從17.8MPa增加到25.7MPa。
　　3) BiAgSbSn系釬料合金

6、由BiSb固溶體及Ag3Sn相組成，元素Sn的添加形成新相Ag3Sn顆粒沿著BiSb固溶體的晶界析出使粗大的脆性BiSb固溶體得到細化，釬料合金的顯微結(jié)構(gòu)明顯出現(xiàn)了晶粒細化。釬焊過程中靠近Cu基底側(cè)形成成分為Cu3Sn的相界面金屬化合物，能有效地提高釬料合金的焊接可靠性。
　　4)確定Sb含量為5％的Bi-2.6Ag-5Sb-xCu合金，當Cu含量在0％-3％范圍內(nèi)變化時，BiAgSbCu系釬料合金金的熔點先減小后增加，均在270

7、℃以上;鋪展面積先增大后減小，潤濕角先減小后增大，當Cu含量為2％時，鋪展面積達到最大為27.4mm2,潤濕角達到最小為55°;剪切強度先增加后降低，當Cu含量為2％時，剪切強度到達最大為24.56MPa。
　　5)當Cu含量為2％時，BiAgSbCu系釬料合金與Cu焊接試樣的IMC厚度最小為42μm，適量的Cu-Sb化合物能夠有效地提高了BiAgSbCu系釬料合金在Cu基板上的潤濕性及焊接可靠性，而過多的高熔點化合物Cu-Sb反