浅谈低Ag系Sn—Ag—Cu焊料的发展

田华存

摘 要：电子产品中Pb污染问题使得研究人员开始寻找Sn-Pb焊料的替代品，探索一种新型的零污染、低成本的电子封装合金。Sn-Ag-Cu合金被认为是最有发展前景的无铅焊料。但Ag属于贵金属，成本较高，故发展低Ag系无铅钎料成为了研究热点。本文介绍了低Ag系Sn-Ag-Cu焊料的发展现状，通过掺杂微量元素来改善合金的力学性能、显微组织、润湿性、可靠性、抗跌落性等。

关键词：无铅焊料；低Ag系Sn-Ag-Cu焊料；抗跌落性能

中图分类号：TH17 文献标识码：A

0.引言

长期以来，锡铅合金由于其优异的性能在电子产品的PCB加工、封装中应用十分广泛。但随着社会发展，人们逐渐意识到铅及其化合物对环境的污染性及对人体的危害性。美国环境保护署也已经将铅及其化合物定性为17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一。自2006年7月1日欧盟实施无铅化以来，中国、日本和美国等也相继颁布了禁止使用铅及其化学物的法令。因此“无铅钎料”逐渐成为全球研究热点。

Sn-Ag-Cu（SAC）焊料是最常用的无铅焊料。目前认可度最高的是日本JEITA推荐使用的SAC305（Sn-3.0Ag-0.5Cu）合金。高Ag系无铅焊料在实际生产应用中存在诸多缺陷：

（1）Ag的价格较高，高Ag系SAC合金的成本要比普通Sn-Pb焊料高2～3倍。

（ 2）由于β-Sn 过冷度较大，焊料在凝固过程中会形成粗大的脆性板条状Ag3Sn，在使用过程中进一步粗化，导致焊料抗冲击性及可靠性降低。

（3）高Ag系SAC合金焊点的抗跌落性差。由于高Ag系SAC的成本高、抗跌落性差，低Ag系SAC合金成为新的研究热点。

1.低Ag系SAC合金与高Ag系SAC合金性能对比

王强翔等人通过以SAC105（Sn-1.0Ag-0.5Cu）、SAC0-

307（Sn-0.3Ag-0.7Cu）为代表的低银无铅焊料与高银无铅焊料（SAC305）对比，对低Ag系SAC合金的综合性能进行了研究。结果表明：

（1）低银SAC的润湿性稍劣于高银SAC，熔点也略高。

（2）常温下低银SAC拉伸强度略低于高银SAC，但其延伸率优于高银SAC。

（3）低银SAC的抗跌落性能明显优于高银SAC。

（4）低银SAC温度循环试验表现不如高银SAC。

（5）老化后的低银SAC和高银SAC的强度及焊点温度循环特征寿命都有所下降，下降幅度相差不大。可以看出，低银SAC的整体性能与备受推崇的SAC305差别不大，但使用成本大幅降低，抗跌落性能优异，为了尽快探索出适应市场需求的新型无铅焊料，研究者们通过添加合金元素（Bi、Ni、Mn、Co、Ce等）来进一步改善低银无铅焊料的性能。

2.添加Bi、Ni对低Ag系SAC合金的影响

广州有色金属研究院的张宇鹏等人研究了Bi、Ni掺杂的低Ag SAC无铅焊料的性能。结果表明，Bi元素可以完全固溶入β-Sn，降低合金熔点，Ni元素固溶度低（小于0.005%），则提高合金熔点。Bi、Ni 掺杂可以有效改善合金润湿性， 与SAC305相当。刘晓刚等人[3]的研究表明，在SAC0307焊料中掺杂Ni，可以提高合金力学性能、细化组织和改善润湿性。主要原因是Ni元素可抑制Sn枝晶的生长，使焊料凝固时，Cu6Sn5微粒与Sn共晶组织分布更细化均匀，并改变界面金属间化合物的晶体结构，抑制界面脆性相生长，提高强度和韧性。

3.添加Mn对低Ag系SAC合金的的影响

美国铟公司在SAC105的基础上，加入微量的Mn，形成SAC105+Mn（0.02-0.05%）新的低银组成无铅焊料体系。Mn的添加可以稳定焊点显微结构，不发生老化，因此该体系具有很好的高-低温热循环性能和抗跌落性能。华南理工大学的潘英才等人研究表明，Mn掺杂SAC0307可以显著抑制焊点界面IMC层生长，提高合金焊点的拉伸强度、剪切强度及抗老化性能。Mn含量为0.05%时，焊点的拉伸强度和剪切强度取得最大值。

4.添加Co对低Ag系SAC合金的的影响

樊融融等人研究了微量Co掺杂的低Ag系SAC焊料合金的改性机理。共晶SAC焊料合金的金相组织中，Ag3Sn微结晶呈现出很长的纤维状组织，而作为共晶组织的另一部分的Cu6Sn5相更多的是以块状（多小平面）颗粒出现的，它是掺混在Sn初晶之中，它们共同构成SAC共晶金相组织外观，如图1所示。在凝固中，多小平面的Cu6Sn5不能与非多小平面的Sn晶相很好的协调生长，而添加微量元素Co，能提高液相中Cu6Sn5相形核，抑制多小平面颗粒的过度生长，使得共晶组织的体积分数更大，组织中的片层更加微小。此外，Co掺杂可以提高改善合金的抗氧化性、润湿性和强度，焊接时能在接合界面上形成（Cu， Co）6Sn5 IMC层，能抑制Cu的过量扩散，从而提高了接合的耐久性，延缓了焊点可靠性的蜕变过程，增长了产品的寿命期。

5.加入稀土元素Ce对低Ag系SAC合金的的影响

国际锡研究协会的Nick Hoo等人[6]研究了掺杂0.02 wt.%Ce对SAC0307合金性能的影响。结果显示：

（1）Ce的添加使得SAC0307合金的液相线温度降低了7.8℃，可SAC305用于PCB生产。

（2）Ce的添加不仅抑制了枝晶的形成，同时降低了枝晶间收缩造成的高孔隙率，对接头表面焊后显微组织具有明显改善。

（3）相同热疲劳条件下，SAC0307+Ce焊料合金拥有可缓解疲劳裂纹生长的显微组织特征。

6.展望与结论

高昂及波动的价格使高Ag含量无铅焊料的生产成本居高不下，探索低Ag含量且产品需求性能满足要求的低Ag无铅焊料成为市场发展的必然趋势。低Ag含量SAC合金相对于高Ag含量SAC合金具有成本低，抗跌落性能好等优势，并可通过微量掺杂Bi、Ni、Mn、Co、Ce等元素来进一步改善合金的力学性能、显微组织及润湿性，并一定程度上提高合金的可靠性及抗跌落性。

参考文献

[1]王强翔，胡雅婷，柴駪，等.低银无铅焊料性能与可靠性研究进展[J].电子工艺技术，2013，34（5）：253-257.

[2]张宇鹏，万忠华，许磊，等.元素掺杂的低银SAC无铅钎料综合性能研究[J].材料工程，2010（10）：100-104.

[3]刘晓刚. SnAgCu无铅焊料中Ni元素添加對组织性能影响研究[J].浙江冶金，2013（3）：37-39.

[4]潘英才.锰掺杂对无铅焊料 Sn-0.3Ag-0.7Cu 界面反应及力学性能的影响[D].广州：华南理工大学，2014：1-55.

[5]樊融融，刘哲，邱华盛，等.微量Co对第二代低银SAC焊料合金改性机理研究[J].电子工艺技术，2011，32（6）：330-334.

[6]Nick Hoo， Jeremy Pearce.稀土元素对Sn-Ag-Cu基低银钎料接头可靠性的影响[J].电子工艺技术，2012，33（5）：268-271.