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

1、為適應電子、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，不只是簡單地提供一種替代品，還需要考慮無鉛釬料的力學性能、釬焊性能及焊點可靠性能夠與傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料相近、釬焊設備與工藝盡量改動不大等因素，因此開展無鉛釬料的研究具有十分重要的理論意義和實用價值。本文根據電子工業(yè)無鉛釬料發(fā)展的需要和生產工藝的特點，研究了稀土元素Ce對兩種最具代表性的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、潤濕與鋪展性能。研究結果表明，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。
　　 釬料的潤濕、鋪展試驗結果表明，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濕性能。采用N2保護釬焊，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℃范圍內釬料的潤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保護可使釬料潤濕時間縮短10％~45％，潤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，潤濕時間縮短，潤濕力提高，潤濕角減小。Ce的添加量在0.03％~0.05％左右時，Sn-Ag-Cu-Ce釬料的潤濕鋪展性能最佳，其潤濕時間比未添加Ce的Sn-Ag-Cu釬料縮短了20％~40％；對于Sn-Cu-Ni-Ce釬料來說，Ce的添加量在0.05～0.07％左右時，潤濕鋪展性能最好，潤濕時間比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濕、鋪展性能。
　　 焊點力學性能試驗結果表明，不管對于Sn-Ag-Cu還是Sn-Cu-Ni釬料，Ce的添加都將提高其QFP引腳焊點的拉伸力和片式電阻焊點的剪切力。當Ce含量在0.03％左右時，Sn-Ag-Cu-Ce焊點的力學性能最佳。對于QFP32、QFP100和片式電阻三種電子元器件，Sn-Ag-Cu-0.03Ce焊點的拉伸力（剪切力）值分

6、別比Sn-Ag-Cu焊點提高了4.56％、4.06％與3.81％；對于Sn-Cu-Ni-Ce釬料來說，Ce的最佳添加量是在0.05％左右，此時，Sn-Cu-Ni-0.05Ce焊點的拉伸力（剪切力）值分別比Sn-Cu-Ni焊點提高了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，即Ce元素優(yōu)先與Sn元素結合，因此，Ce的添加可使釬料合金以及焊點的組織細化、均勻化，可以有效地避免Sn元素與Ag元素結合生

7、成粗大的Ag3Sn金屬間化合物，從而提高了焊點的力學性能。
　　 對QFP引腳無鉛焊點和片式電阻無鉛焊點進行熱循環(huán)試驗（模擬焊點的實際服役情況）結果發(fā)現(xiàn)，在經歷了長時間熱循環(huán)試驗后，焊點力學性能隨著熱循環(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力學性能的惡化，從而有效地提高焊點的可靠性。比較經過2000周期熱循環(huán)之后的焊點力學性能變化情況發(fā)現(xiàn)，QFP32、QFP100和片式電阻三種電子元器件的Sn-Ag-Cu-

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

9、間的熱循環(huán)試驗過程中，微量的Ce可有效抑制Sn-Ag-Cu-Ce/Cu界面處Cu6Sn5金屬間化合物的長大，并抑制粗大Ag3Sn金屬間化合物的增加。QFP引腳無鉛焊點的拉伸斷口形貌表明，在長時間熱循環(huán)條件下，Sn-Ag-Cu焊點表現(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)對無鉛焊點可靠性的不利影響。在Sn-Cu-Ni-Ce無鉛焊點中，0.05％左右的Ce含量對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力學性能之間的關系，采用納米壓痕法測定了無鉛焊點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性能參量。試驗結果表明，Sn-Ag-Cu焊點中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、焊點中Cu6Sn5的試驗結果一致。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，進一步證明影響無鉛焊點可靠性的關鍵因素是焊點中的金屬間化合物Cu6Sn5與Ag3Sn。通過理論計算得到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，蠕變應力指數(shù)n則分別為10.