无铅焊点材料305SAC的研究

无铅焊点材料305SAC的研究

刊名：International Journal of Precision Engineering and Manufacturing（英）

刊期：2016年第12期

作者：Min-Soo Kang

编译：于雅静

通过热寿命试验、剪切试验和有限元分析方法（FEM）研究了305SAC无铅材料焊接接头的特性，并针对焊点的可靠性进行了试验测试。测试了汽车电子中R1608和C1608芯片的无铅焊点，并进行了热寿命试验以模拟汽车运行环境。通过热寿命测试和剪切试验来测量材料强度的变化，并利用元素分析的方法进一步观察焊接处和断裂面，从而得到如下试验结果。

（1）剪切试验表明，应力集中在芯片电极（银、铜）和镀镍层（金属隔层）。

（2）经热寿命测试（85～105℃，20min/周期，1600个周期），R1608和C1608芯片的抗剪强度分别下降了24.1%和8.2%。

（3）R1068芯片的失效始于镍镀层和银电极中的银界面，并扩散到焊料层。热寿命测试后进行元素分析发现：化合物元素比重原来镍占74.2%、银占21.3%变为镍占65.5%、银占26.1%；镍的厚度由5mm变为9mm。

（4）C1608芯片的失效始于作为金属隔层的镍镀层（质量占99.1%）并扩散到焊料层，芯片失效出现在热寿命测试之后的铜电极（质量占98.4%）。热寿命测试表明，镍的厚度由6mm变为8mm。

（5）根据镍镀层扩散和芯片电极（银、铜）对剪切强度的影响，以及金属扩散所导致的两种材料力学性能的改变，热寿命试验后元素比例和失效形式存在不同。

（6）从剪切试验后产生的断裂面中提取大量镍表明，镍镀层的结合强度是焊点中最弱的一个。

（7）由于受晶粒迁移的影响，因此作为金属隔层的镍更容易受到车辆行驶时产生高温热量的影响。

对断裂面元素的研究分析表明，这些元素通过在高温老化材料间的热扩散形成了金属化合物Cu3Sn，Cu6Sn5，Ag3Sn和Ni3Sn4。在这些金属化合物厚度变化的早期，热扩散所引起的镀镍层和芯片电极间的晶界迁移造成了剪切强度的降低。因此，控制车辆在常见高温行驶工况下铜垫与焊点间产生金属化合物的种类和厚度是很有必要的。