電子組裝用無鉛釬料的研究現狀及發展趨勢

來源:用戶上傳      作者:

　　摘 要：本文綜述了近年來國內外無鉛釬料的研究開發現狀及部分無鉛釬料的應用情況。重點介紹了國內外SnAgCu合金系無鉛釬料技術的發展現狀，分析其特點、優勢以及目前存在的問題。
　　關鍵詞：無鉛釬料;SnAgCu合金系;現狀
　　隨著人民環保意識不斷提高，對電子產品無鉛化已經成為必然，此外，由于傳統的SnPb釬料合金其蠕變性能差，致使焊點過早出現失效，不能電子產品的可靠性要求。因此，關于新型高性能無鉛釬料技術的研究，不僅可以盡快實現電子產品無鉛化需求，也是電子封裝技術不斷發展的要求，對于電子產品無鉛化進程、保護生態環境具有積極意義。
　　1 無鉛釬料的研究現狀
　　隨著微電子封裝技術不斷提高，焊點尺寸也趨微小化。焊點需要承擔較重的電學、力學、熱學負荷，也進一步提高了釬焊焊點的性能要求。在無鉛釬料替代錫鉛釬料的研究方面，相關技術人員做大量研究，發現了Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等較有潛力的釬料合金系。其中Sn-Zn系無鉛釬料因其低廉的成本、廣泛的原材料來源、熔點和Sn-Pb共晶釬料接近等優勢，可以在現有生產設備基礎上不做太大的調整，就可實現無鉛化生產要求。另一方面，共晶Sn-Zn無鉛釬料和Sn-Pb釬料二者對比，其焊點不僅具有較好抗剪強度的優勢，同時，也具有明顯的電遷移效應優勢。在室溫條件下，比Sn-Pb抗疲勞性能更好。[1]但時，因為Zn的存在，使得Sn-Zn系無鉛釬料潤濕性差、抗氧化性能差、耐腐蝕性能弱，從而制約了Sn-Zn系無鉛釬料在微電子行業中的廣泛應用。向Sn-Zn合金釬料中添加合金元素可有效改善其性能，添加合金元素可以改善釬料的潤濕性能，同時有利于提高釬料的抗氧化性能和抗腐蝕性能。通過適量Ag添加，熔融釬料的抗氧化性得到提高，進一步降低釬料表面Zn氧化，進而提高釬焊接頭的力學性能和釬料的潤濕性，在研究中也發現，通過增加Ag含量，進一步增加釬料的鋪展面積。如果Ag的質量分數超過1.5%時，會進一步提高釬料熔點。在同等實驗環境中，又會了降低釬料的潤濕面積。Sn-Cu系釬料同Sn-Pb比較可以發現，其具有良好延伸率優勢，但抗拉強度卻偏低。這也反映出Sn-Cu系釬料質地較軟，具有明顯的延展性優勢。另一方面，因為Sn-Cu系釬料具有熔點較高的特點，如果超過250℃釬焊溫度在工業生中實現存在一定難度，因此，其多用于單面基板波峰焊加工。Sn-Cu系釬料仍存在一系列問題：由于Sn-Cu釬料流動性較差，熔融釬料因為不易從焊點間隙分離出來，常易出現焊點橋連，導致短路;在進行波峰焊作業時，電器元件表面的Cu易擴散到釬料槽，致使大量消耗Cu又降低了焊點的力學性能。再者，如果大量Cu擴散到釬料槽中，又會在槽中產生Cu6Sn5化合物，釬料的密度比產生的化合物密度低，化合物在槽底又導致釬料更換頻率增加，進一步導致生產成本上升。
　　2 釬料的發展趨勢
　　相關的研究表明，通過將Cu添加到Sn-Ag合金系，不僅可以較好的保證Sn-Ag合金系性能，同時可以使其熔點降低約3℃～4℃，同時，還可以降低電產子品焊接過程中Cu的溶蝕。因此，現在大量的研究也證實了Sn-Ag-Cu釬料的熔點較低（217～221℃），不僅具有良好的焊接性能，其優異的機械性能和物理性能也被學者和科研人員所認可，是最有可能替代SnPb合金的無鉛釬料。AbhijitKar等人研究了Cu/Sn3.5Ag0.5Cu釬焊接頭組織對接頭機械性能和導電性的影響，并與Cu/Sn37Pb釬焊接頭進行對比。研究結果表明：Cu/Sn3.5Ag0.5Cu釬焊接頭有Cu3Sn和Cu6Sn5生成，Cu/Sn37Pb釬焊接頭有Cu6Sn5生成，前者的抗剪強度和導電性均優于后者，這是由于熔體過熱，Sn是釬焊過程中主要的擴散元素，無鉛釬焊接頭金屬間化合物（IMC）層較薄，此外，Ag的添加也使得釬焊接頭的導電性進一步提高。通過添加混合稀土元素到Sn基無鉛釬料，也在很大程度上使在釬料各方面的性能得到很大改善。陳志剛，史耀武[2]等通過稀土含量對SnAgCu釬料合金的試驗發現，添加微量的La、Ce混合稀土（RE）元素的作用十分明顯，不僅可以不影響SnAgCu釬料原有的優良物理性能和釬焊工藝性能，同時，因為稀土的冶金作用，又可以使得SnAgCu合金的抗蠕變性能及可靠性得到提高，而且釬料成本增加很少。為了進一步改善SnAgCuRE釬料合金的潤濕性，抗拉強度和延伸率，張柯柯等人在Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1Re釬料合金的基礎，研究Ni含量對該釬料合金機械性能和蠕變性能的影響。研究結果表明：添加005wt%的Ni時，該合金系釬料延伸率高于普通商用Sn-38Ag-0.7Cu釬料合金，此外，釬焊接頭的蠕變性能顯著提高。ANUPAMCHOUBEY等人研究了等溫時效后的無鉛釬焊接頭IMC的特點，由于IMC是脆性相，IMC厚度較小時，釬焊接頭具有較好的可靠性，研究表明，浸金下無電鍍鎳（ENIG）涂層可以降低IMC厚度，提高釬焊接頭的可焊性。隨著IMC的出現，在Cu基體和釬料的界面處觀察到一些微觀空洞，當受到沖擊載荷時，微觀空洞會影響釬焊接頭的可靠性。
　　Sn-Ag-Cu系釬料是國際上目前公認的無鉛釬料首選材料，然而，該合金系的熔點是217℃，比SnPb釬料的183℃高34℃。雖然零部件的耐高溫氧化研究也在不斷進展，但仍有一些零部件不能承受高溫，因此，研發新型高性能無鉛釬料，滿足無鉛電子產品生產的需要，仍是一個亟待解決的問題。
　　3 結語
　　在無鉛釬料技術的發展和研究中，我國與發達國家相比，仍有一定的差距，我國科研機構和相關科技企業需要充分重視其技術的發展與研究，否則在未來的國際市場競爭中會陷入被動局面。同時我們也應該看到，無鉛釬料的研究，是一項系統工程，隨著電子技術的快速發展，無鉛釬料的研究成果也必然會提高國內企業產品加工能力，增加企業在市場中的競爭力，促進企業經濟效益得到提升。
　　參考文獻：
　　[1]顧永蓮，楊邦朝.電子焊料的無鉛化及可靠性問題[J].功能材料，2005（4）：490-494.
　　[2]史耀武，雷永平，夏志東，等.電子組裝用SnAgCu系無鉛釬料合金與性能[J].有色金屬，2005，57（3）：8-15.
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/1/view-14863651.htm