一种新型无铅焊膏抗冷热循环性能

张琦 孙凤莲

摘要：对一种新型低银SnAgCuBiNi（SACBN07）焊膏与市场上的SAC305焊膏进行抗冷热循环性能对比分析。比较冷热循环前后的微焊点的剪切强度和纳米压痕硬度、分析微量元素对界面组织以及力学性能的影响。结果表明：由于SACBN07中Bi元素的固溶强化和弥散强化的作用，冷热循环前SACBN07剪切强度和纳米压痕硬度值高于SAC305，SACBN07的剪切强度和体钎料的纳米压痕硬度受冷热循环影响较小，经过600h冷热循环后SACBN07焊点硬度降低了174%，剪切强度降低了153%，而SAC305焊点硬度降低了313%，剪切强度降低了23%。SACBN07中Ni元素的加入减缓了界面化合物的生长速度，经过600h冷热循环后SACBN07焊点界面IMC层厚度小于SAC305焊点。SACBN07的抗冷热循环性能优于SAC305。

关键词：

无铅焊膏;冷热循环;剪切強度;硬度

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.022

中图分类号： TG42

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）05-0130-04

Abstract：The performance of resistance to hot and cold cycle of a new low silver solder paste SnAgCuBiNi （SACBN07） and SAC305 solder paste on the market were compared and analyzed The shear strength and nanohardness of micro solder joints before and after hot and cold cycles were compared， and the effect of trace elements on the microstructure of the interface and mechanical properties was analyzed The results show that the shear strength and nanoindentation hardness of SACBN07 are higher than that of SAC305 due to the solid solution strengthening and dispersion strengthening of Bi element in SACBN07 Because of the shear strength of SACBN07 and the nanoindentation hardness of bulk solder affected little by hot and cold cycles， the hardness of solder joint is reduced by 174% and the shear strength is decreased by 153% on the SACBN07 solder joint after 600h hot and cold cycle， while the SAC305 solder hardness decreased by 313%， the shear strength decreased by 23%The Ni element added in SACBN07 solder paste slows down the growth rate of the interfacial compound， and the thickness of the IMC layer on the SACBN07 solder joint is less than that of SAC305 solder joint after 600h hot and cold cycle In a word， we get that the performance of SACBN07 solder paste is better than that of SAC305 solder paste

Keywords：leadfree solder paste; hot and cold cycle; shear strength; hardness

0序言

近年来电子产品朝着性能更优良、更小型化的方向发展，输入/输出（I/O）端口越来越密集，使得焊点数量越来越多、尺寸越来越小，对电子元器件的组装技术提出了更高的要求。[1]并且电子器件在服役的条件下环境温度难以避免的发生着变化，元器件在频繁的周期性的热循环条件下工作时容易造成印刷电路板、钎料和元器件之间由于热膨胀系数差异较大导致焊点内裂纹的生长和扩展，致使强度降低[2-3]。随着世界范围内的禁铅，在无铅钎料系列中，SAC305钎料市场应用最为广泛[4]。但由于Ag的价格昂贵而且Ag含量过高在钎料中会生成大片的Ag3Sn使钎料可靠性降低[5-6]。本文以一种新型低银钎料SACBN07（Sn07Ag05Cu+BiNi）和某助焊剂混合制备的锡膏作为研究对象，通过与市场上广泛应用的SAC305锡膏作对比，研究了冷热循环对钎料的剪切强度和纳米压痕硬度的影响，分析了影响力学性能的微观机理。为这种新型无铅焊膏的推广应用提供依据。

1实验材料及试验方法

SACBN07选用原材料为纯度大于999%的锡、铜，银、铋及镍，按比例熔炼成合金，再加工成粒度大小为25～45μm的钎料粉末其中Bi的质量分数为35%;助焊剂选用市场上应用较好的某助焊剂，经过多次混合调整总结出印刷性能良好的比例，并用次比例来混合成膏，来对比市场上成品SAC305焊膏。

采用SMT模板印刷的方式将锡膏印刷到铜盘直径为300μm的PCB板上，然后进行回流焊，焊接时间为315s，最高回流温度255±5℃。回流焊曲线见图1

采用德国富奇公司生产的冷热循环试验箱进行冷热循环实验。冷热循环试验参数按照JESD22A104D标准：试验温度-40～125℃，高、低温保温时间均为15min，循环周期为120min。

利用PTR1100型结合强度测试仪对微焊点进行剪切试验，本实验设定的剪切速度为005mm/s，剪切行程05mm，剪切高度20μm。每组剪切20个微焊点取平均值。剪切实验后利用扫描电子显微镜对焊点断口形貌进行冷热循环前后焊点的失效分析。

由日本岛津公司的纳米压痕仪来对体钎料微区硬度的测量。设定的加载力为10mN，加载速率为075mN/s，保载时间为5s，硬度取10次测量的平均值。

2实验与结果分析

21冷热循环对焊点界面IMC层厚度的影响

SACBN07锡膏和SAC305锡膏冷热循环600h前后的焊点界面扫描电镜图片，如图2、图3所示

将不同的冷热循环时间后焊点接头的扫描图片，运用AutoCAD软件测量界面面积及界面层的长度，测量出的面积除以长度得出界面化合物的平均厚度。如图4所示，

回流焊后SACBN07焊点的界面处长出比较整齐的扇贝状化合物，经EDS分析为（Cu，Ni）6Sn5，而SAC305回流焊后出现柱状的Cu6Sn5化合物。随着冷热循环时间的延长，两种钎料界面化合物厚度均有所增加，IMC形貌逐渐趋于平缓。但是SACBN07的IMC增长速率要慢于SAC305。经过600h冷热循环后，SAC305的厚度约为62μm，SACBN07为52μm，SACBN07化合物层厚度比SAC305低161%。相对高银材料低银钎料对Cu的溶解度相对更高，但由于SACBN07钎料中含有Bi、Ni元素，由于Bi原子在Sn的固溶而降低了Cu、Sn原子间的扩散速率，减缓了Cu和Sn间化合物的生长速率[9]，而且SnAgCu与Cu基板在钎焊过程中产生自由能低的Cu6Sn5，而Ni的加入形成需要驱动力较大的（Cu，Ni）6Sn5进展缓慢[7，8]有效的减缓了界面化合物的生长。

22冷热循环对焊点剪切性能的影响

冷热循环周期对焊点的剪切性能影响很大，由于焊点与铜盘之间的热膨胀系数存在差异，在温度变化的过程中，热膨胀系数不同会导致焊点与焊盘之间产生循环应力 [10]。将在冷热循环炉里循环不同时间下的6组式样和未时效的式样，分别在PTR1100型结合强度测试仪9上进行剪切实验，焊点剪切强度采用计算公式

Rτ=F/S

Rτ为接头抗剪强度，MPa;F为接头破坏载荷，N;S为接头破坏前的搭接面积，mm2。试验中剪切力由PTR1100型结合强度测试仪直接显示出，剪切搭接面为直径300μm的圆形焊盘。图5 所示 为冷热循环不同时间下两种锡膏的焊点剪切强度随时间变化图。

观察剪切强度可以看出，两种焊膏焊点的剪切强度都随冷热循环时间的延长而不同程度上的减小。SACBN7焊點时效初期剪切强度变化不明显，表现出相当好的可焊性，100h后剪切强度逐渐下降，趋势较为平缓，在冷热循环600h后，焊点的剪切强度较未时效时降低了153%。SAC305焊点在冷热循环过程中下降速度相对较快，到600h后，剪切强度下降了23%。之后两种焊膏随着冷热循环时间的继续延长，剪切性能降低的速度逐渐趋于稳定。

综上所述，冷热循环后两种锡膏焊点剪切强度均有所降低，因随着冷热循环时间的增加焊点的晶粒粗化，且界面的脆性金属化合物增厚，导致焊点剪切强度降低。冷热循环前后SACBN07的抗剪切性能均优于SAC305。冷热循环600h后SACBN07焊点的平均剪切强度为707MPa，SAC305为485MPa，SAC305剪切强度较SACBN07低314%，是由于SACBN07中加入了Ni元素，Ni元素不仅可以减缓IMC的生长还可以细化晶粒，起到细晶强化的作用，而Bi在Sn中的固溶强化和弥散强化增加了焊点的硬度使抗剪切强度增强。

23冷热循环对焊点硬度的影响

纳米压痕测试法是测量微焊点力学性能的主要手段 [11-12]。体钎料的硬度值随着冷热循环时间的增加变化如6所示。结果表明：体钎料的硬度值随着冷热循环时间的增加而成下降趋势。 冷热循环过程中焊点在周期性的应力和高低温共同作用下，Sn晶粗化，焊点内的IMC长大并粗化，从而导致体钎料硬度值变低。而冷热循环600小时后，SACBN07体钎料硬度与实验前的相比降低了174%，SAC305与实验前相比降低了313%，SACBN07的软化程度小于SAC305，主要是由于Bi元素的加入使得钎料合金的显微硬度值增加，因为在冷热循环过程中添加的Bi元素一部分溶解于Sn中起到固溶强化的作用，一部分会以单质的形式析出阻碍晶粒的长大，细化机体组织，起到弥散强化的作用 [13]。因此焊点的硬度变化不明显。

本文以化合物的厚度、剪切强度、硬度纳米压痕硬度来检验对比锡膏的冷热循环性能，结果是SACBN07焊膏相对于SAC305焊膏的性能差别并不明显。因为SACBN07中的银含量低于SAC305，其成本更低廉，因此SACBN07新型焊膏具有广阔的潜在市场。

3结论

1）SAC305焊点与SACBN07焊点的抗剪切强度和纳米压痕硬度都随着冷热循环时间的增加而降低。

2）由于Bi、Ni元素的添加抑制了IMC的生长，经过600h冷热循环后SACBN07焊点界面化合物层厚度比SAC305低16%，SACBN07界面化合物生长速率更小。

3）冷热循环前后SACBN07焊膏的剪切强度和体钎料硬度都高于SAC305焊膏。由于Bi、Ni的作用，低银焊膏SACBN07的力学性能更好，尤其是Bi元素在冷热循环过程中起到固溶强化和弥散强化的作用，缓解冷热循环带来的周期性的应力应变，使得其抗冷热循环性能优于SAC305焊膏。

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（编辑：王萍）