电子封装用SnAgCuGa钎料的改性

2014-12-05任如桂赵小平

电子与封装 2014年7期

贺琴，任如桂，赵小平

（1.榆林职业技术学院神木校区，陕西榆林 719300；2.神木县职业技术教育中心，陕西榆林 719300）

1 前言

21世纪以来，随着电子工业持续高速的发展，电子设备功能越来越强，应用范围越来越广，而工作环境日趋恶劣，人们对电子设备的可靠性要求越来越高[1~3]。钎焊技术在电子工业的整机装联技术中始终并将继续居于主导地位[4,5]。

传统的Sn-Pb钎料成本低廉，在一般服役环境下有较高的可靠性，因此被广泛应用于电子封装[6]。然而，长期与铅接触对人体有很大的危害。电子行业的无铅化进程自20世纪90年代中期以来，经过国家的立法与行业强制性禁令，已经在世界电子工业行业制造与零部件供应达成“无铅化”共识。

但是，以SnAg、SnAgCu、SnZn、SnCu等为代表的无铅钎料在综合性能与经济性方面，同传统的SnPb钎料仍然有不小的差距。SnAgCu钎料存在熔点偏高、润湿性较差等不足[7]。本文研究了Sb对SnAgCuGa钎料性能的影响。

2 试验材料、方法及设备

本文采用SnAg3.5Cu0.7Ga1为基本合金材料，在合金基础上加入不同含量的Sb，加入量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。按照软钎料常规制备方法进行熔炼、浇注，分别制成如表1所示的合金。

表1 试验用钎料化学成分（wt %）

采用NETZSCH TG-DTA/ DSC型号同步热分析仪测量SnAg3.5Cu0.7Ga1钎料的熔化温度。

试验用40 mm×40 mm×1.5 mm的铜板作为试验基板，并用400号碳化硅砂纸进行打磨，使其表面平整、光洁，然后用丙酮（或三氯乙烯）在超声波清洗仪中清洗，去除表面的油污。试验在电阻式润湿性试验炉中进行，温度波动控制在±5 ℃。将100 mg试验钎料放在铝板表面的中心位置，在 240 ℃下保温60 s。

通过TG328B分析天平测量氧化前后钎料质量的变化；在80 ℃温度、30 N/min受力条件下测量SnAgCuGa钎料的循环次数。

3 试验结果及分析

3.1 Sb对SnAgCuGa钎料熔化温度的影响

试验中分别系统研究了含0%、0.5%、1%、1.5%、2%（质量分数）的Sb对SnAg3.5Cu0.7Ga1熔点的影响。图1是不同Sb含量的SnAg3.5Cu0.7Ga1钎料的固液相线曲线。

由图中可以看出，随着Sb含量的增加，钎料的固液相线呈增长趋势，但均低于230 ℃。这是由于与SnAg3.5Cu0.7Ga1的熔点（216 ℃）[8]相比，Sb的熔点较高（630.74 ℃），所以Sb的添加会使合金熔点升高。

3.2 Sb对SnAgCuGa钎料润湿性能的影响

图2为240℃钎焊温度、不同Sb含量在无卤素松香助焊剂（高品质的水白松香或氢化松香为基，以硬脂酸、乳酸和丙二酸等复配的有机酸为活化剂，并添加表面活性剂配制而成）下对SnAgCuGa合金在Cu板的润湿性影响的利用网格法的统计分析。由图中可以看出，当Sb含量添加0.5%时，SnAg3.5Cu0.7Ga1合金在240 ℃无卤素松香助焊剂下润湿性变化不大，随着Sb含量的增加，当Sb含量达到1.0%以上时，SnAg3.5Cu0.7Ga1合金的润湿性随着Sb含量的增加而提高。

图1 Sb含量对SnAgCuGa熔化温度的影响

图2 Sb含量对SnAgCuGa润湿性能的影响

3.3 Sb对SnAgCuGa钎料抗氧化性能的影响

SnAgCuGa无铅钎料的抗氧化性差是长久困扰行业发展的问题。锡钎料在液体状态和高温时氧化十分迅速，尤其在波峰炉中，很快会形成新的锡渣氧化物，锡渣的堆积会影响焊接质量，还会造成锡的浪费。因此，研究无铅钎料的抗氧化性能显得非常重要。

图3为不同Sb含量对SnAgCuGa氧化性的影响。从图中可以看出，随着Sb含量的增加，生成的氧化物逐渐减少，但当Sb含量为1.0%时，氧化物的减少速率明显降低。添加少量的Sb可以提高SnAg3.5Cu0.7Ga1无铅钎料的抗氧化性。

图3 Sb含量对SnAgCuGa氧化性的影响

3.4 Sb对SnAgCuGa钎料钎焊接头热疲劳强度的影响

焊点热疲劳失效主要是由于器件和基板的热膨胀系数失配，使焊点在温度变化时承受周期性的应力作用导致塑性应力积累而失效。元器件的耐用性主要取决于焊点的热疲劳强度，因此，对接头热疲劳强度的研究十分重要。图4为在80 ℃温度、30 N/min受力条件下不同Sb含量对SnAgCuGa热疲劳强度的影响。从图中可以看出，随着Sb含量的增加，产生裂纹时的循环次数依次增加。由此可知：SnAg3.5Cu0.7Ga1无铅钎料中加入Sb元素，可以提高接头的抗疲劳强度。