不同剪切速率下锡银铜系_镍金焊点的断裂行为研究.pdf

2023 年 5 月 贵 金 属 May 2023 第 44 卷第 2 期 Precious Metals Vol.44,No.2 收稿日期：2022-10-26 基金项目：云南省重大科技专项(202002AB080001-2)；企业基础研究应用基础研究联合专项(202101BC070001-007)第一作者：王加俊，男，硕士，工程师；研究方向：锡基互联材料；E-mail:*通信作者：彭巨擘，男，博士，正高级工程师；研究方向：材料基因工程；E-mail:J 不不同同剪剪切切速速率率下下锡锡银银铜铜系系/镍镍金金焊焊点点的的断断裂裂行行为为研研究究 王加俊，蔡珊珊，罗晓斌，彭巨擘*(云南锡业集团(控股)有限责任公司 研发中心，昆明 650000)摘 要：对锡银铜系高可靠性焊料合金的研究虽然已经较为广泛，但是缺乏对其焊点在不同应变速率下的剪切强度和断裂模式的研究。本文将牌号为 SAC305 和 Innolot 不同成分的锡银铜系焊料合金锡膏印刷在镍金镀层(Ni(P)/Au)上回流成 BGA 焊点，采用 DAGE 4000 HS 焊接强度测试仪进行不同剪切速率下的剪切性能测试，并对其剪切曲线、剪切强度及断裂能进行计算和分析，再采用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对焊点界面微观结构及断口进行表征分析。结果表明：合金本身成分的差异导致焊点界面金属间化合物层(IMC 层)厚度和分布存在差异，随着剪切速率的增加，SAC305 和 Innolot 合金焊点的强度总体上都随之增加，且焊点的断裂模式由焊点基体内部的韧性断裂向界面金属间化合物脆性断裂发生转变，Innolot 合金由于其他金属元素添加导致的强化作用使得其剪切强度得到较大提升而塑性损伤。关键词：高可靠无铅焊料；锡银铜系；镍金镀层；剪切速率；断裂模式 中图分类号：TG425.1；TG406 文献标识码：A 文章编号：1004-0676(2023)02-0001-08 Fracture behavior of Sn-Ag-Cu solder joints on Ni(P)/Au surface-finished substrates at different shear rates WANG Jiajun,CAI Shanshan,LUO Xiaobin,PENG Jubo*(R&D Center,Yunnan Tin Industry Group(Holdings)Co.Ltd.,Kunming 650000,China)Abstract:Although the research on Sn-Ag-Cu based high reliability solder alloy has been extensive,there is a lack of reports about the shear strength and fracture mode of the solder joints at different strain rates.In this research,the Sn-Ag-Cu solder pastes with different compositions,named SAC305 and Innolot,were printed on the Ni(P)/Au surface-finished substrates and reflowed to form BGA solder joints.The shear properties at different shear rates were tested using the DAGE 4000 HS bondtester,and the shear curves,shear strengths,and fracture energies were calculated and analyzed.The microstructure and fracture surface of the solder joint interface were characterized by metallographic microscope and scanning electron microscope(SEM).The results show that the difference in alloy compositions leads to a change in the thickness and distribution of the intermetallic compound layer at the solder joint interface.With an increase of the shear rate,the shear strengths of SAC305 and Innolot alloy solder joints increase accordingly in general,and the fracture mode of the solder joints shifts from the ductile fracture in the solder joint matrix to the brittle fracture of the intermetallic compound at the interface.Due to the strengthening effect caused by the addition of alloy elements,the shear strength of Innolot alloy is greatly improved,giving rise to the plastic damage.Key words:highly reliability lead-free solder;Sn-Ag-Cu;Ni(P)/Au surface-finished;shear rate;fracture mode 2 贵 金 属 第 44 卷 自 2006 年 7 月欧盟实施有害物质限制(ROHS)法规以来，无铅焊料合金已被电子行业广泛采用。为适应电子产品小型化、多功能化和高可靠度的发展需求，至此已经发展到第三代锡银铜(SAC)合金钎料。在过去十多年中 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)和Sn-3.8Ag-0.7Cu(SAC387)等无铅SAC焊料合金已广泛应用于便携式、计算和移动电子产品中。而新兴汽车电子产品的发展带来了更为严苛条件下服役的需求，如引擎盖附近服役的工作温度在 150 左右，同时，汽车电子产品还需要在-40150 甚至更宽的温度范围内起具有较好的热疲劳寿命。由于锡基焊料本身熔点低，在150 温度下，二元和三元SAC体系焊料的同系温度(homologous temperature)超过0.8，因此在该温度下 SAC 中形成的化合物如 Ag3Sn和 Cu6Sn5粗化，同时焊料中的-Sn 基体再结晶导致晶粒长大，所以导致焊点时效之后的性能发生损伤，尤其热疲劳会增加封装材料的热膨胀系数不同导致的错配应力会加速焊点的力学损伤1。为了提升焊料在高温服役环境下的热疲劳性能，近年来，行业中开始研究，如德国贺利氏的专利 CN 101563185B 已开发出 Innolot 合金(Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.15Ni-1.5Sb-3Bi)，以取代常用的 SAC305，并得到一定的应用。该系列产品开发的核心思想主要利用Bi、Sb、Ni 等元素的固溶强化和沉淀强化作用来阻碍位错运动来提升蠕变性能。在焊料合金制造过程中，引入一个新的产品是需要大量的可靠性评价和失效机制分析，有许多研究论文从热疲劳和热冲击的角度研究了封装之后 Innolot 合金的可靠性1-5，也有研究者对该合金的焊点进行不同时间的时效处理之后开展蠕变性能研究6-8，同时也利用单轴拉伸测试在高温下进行不同应变速率的测试，并根据测量参数确定 Anand 粘塑性本构式的参数9。还有研究者10对 Innolot 合金块体合金进行微观结构观察与拉伸性能的对比分析以及利用高温储存寿命试验来对比研究 Innolot 合金与传统的 SAC305 合金界面生长层进行了比较11。尽管对这种合金的研究十分深入，考虑到锡基焊料自身有很强的应变速率敏感性并且断裂模式随着应变速率增加发生转变12，但没有一项研究涉及到其焊点在不同应变速率下的了剪切强度和断裂模式。因此，本文选取工业常用的化学镀镍/浸金(ENIG)焊盘，与 Innolot 焊接之后形成焊点进行 0.10 mm/s到1000.00 mm/s剪切速率下力学行为以及断裂模式研究，同时选取传统的 SAC305 为对照组进行分析，为了解 Innolot/ENIG 焊点断裂提供理论依据。1 实实验验 1.1 化化学学镀镀镍镍/浸浸金金镀镀层层 PCB 板板的的设设计计 根据实验设计，PCB 板焊盘设计如图 1 所示，其中：PCB 板尺寸为 35 mm15 mm，焊盘直径为600 m，焊盘间距 2 mm，每块 PCB 板包含 10 个焊盘，依次排列。在实际生产过程中均要对焊盘 Cu(质量分数99.8%，下同)基板表面进行处理，可以起到防止 Cu 基板氧化和增加焊盘可焊性的作用，防止假焊、虚焊的发生。本实验采用化学镀镍/浸金(ENIG)焊盘开展相关焊接、测试实验，即：在焊盘Cu 基板表面采用化学镀技术镀上一层导电性良好的镍合金，化学镀 Ni(99.9%)层厚度为 35 m，化学镀薄 Au(99.9%)层厚度为 0.0250.100 m。图图 1 PCB 板板设设计计示示意意图图 Fig.1 Schematic diagram of PCB design 1.2 BGA 焊焊点点试试样样的的制制备备 本实验采用合金牌号为 SAC305 和 Innolot 的锡银铜系锡膏进行实验，详细合金成分分别为：Sn-3Ag-0.5Cu 和 Sn-3.8Ag3.8-0.7Cu-0.15Ni-1.5Sb-3Bi。采用专门的钢网将锡膏印刷在定制的 PCB 板上，放入小型 SMT 回流炉中进行回流焊接，即可制备出实验测试所需试样。回流曲线具体设置如图 2 所示。图图 2 回回流流曲曲线线 Fig.2 Reflow profile 第 2 期 王加俊等：不同剪切速率下锡银铜系/镍金焊点的断裂行为研究 3 1.3 焊焊点点剪剪切切性性能能测测试试试试验验 图 3 为剪切测试实验示意图。如图 3(a)所示，焊点的剪切测试在焊接强度测试仪上进行，测试方式为单点推力测试，参考 GB/T 39167-2020 标准进行测试，设备型号为 Nordson DAGE 4000 HS，分别进行 0.01、0.10、10.00、100.00、1000.00 mm/s 不同剪切速率下的推力测试。图 3(b)所示为剪切过程示意图，焊点剪切高度 50 m，每个样品至少重复 10个焊点进行剪切试验。图 3(c)所示，最大剪切力可以通过仪器数据或者结合剪切曲线作图得到，断裂能则通过对位移-剪切力曲线积分获取，具体计算方法如下：使用 Origin 软件绘制出位移-剪切力曲线，使用积分功能计算出整个曲线和对应位移之间的面积，得到断裂能。(a).剪切设备(Shear equipment);(b).剪切过程(Shear process);(c).剪切力及能量计算(Shear force and energy calculation)图图 3 剪剪切切测测试试实实验验示示意意图图 Fig.3 Schematic diagram of shear test experiment 1.4 焊焊点点界界面面及及断断口口观观察察 采用环氧树脂对焊点样品进行冷镶嵌，然后分别使用 600、1000、2000、4000 目的水磨砂纸将镶嵌样品打磨到焊点的中心横截面位置，然后使用 3.0、0.3 m 的氧化铝悬浮液对