添加Cr對SnBi低溫焊料合金性能的影響-深圳福英達(dá)
添加Cr對SnBi低溫焊料合金性能的影響-深圳福英達(dá)
隨著電子設(shè)備向小型化、輕量化和高密度化發(fā)展，對低溫焊料的需求也日益增加 。低溫焊料可以降低電子組件的熱應(yīng)力，減少熱損傷，提高生產(chǎn)效率和節(jié)約能源 。SnBi合金是一種常用的低溫焊料，具有熔點(diǎn)溫度低（139℃）、抗蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn) 。然而，SnBi焊料合金的延展性因富Bi相引起的脆性和焊點(diǎn)中形成的脆性IMC而降低 。這些問題對焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生不利影響，并且隨著電子設(shè)備的日益微型化，這種影響將被放大 。
為了改善SnBi焊料合金的延展性和可靠性，許多研究者嘗試在SnBi基礎(chǔ)上添加其他元素，如Ag、Cu、Zn、In等 。Cr是一種過渡金屬元素，由于其較低的成本和對焊料的強(qiáng)化作用引起了廣泛的關(guān)注。Zhu等人在SnBi合金基礎(chǔ)上分別添加0.1，0.2，0.3wt%的Cr，研究Cr對復(fù)合SnBi焊料的性能的影響。
圖1（a）中可以檢測到大量的解理面，這表明純SnBi焊料的斷裂機(jī)制是脆性斷裂模式。如圖1(b)所示，解理面幾乎全部消失，晶粒輪廓不像圖1(a)那樣尖銳，因此焊料的脆性減弱。然而，在圖1（c）和（d）中，SnBi-0.2Cr和SnBi-0.3Cr焊料合金中存在一些代表延性斷裂模式的韌窩。結(jié)果表明，隨著Cr的添加，焊料合金的斷裂機(jī)制由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。
圖1.(a)SnBi、(b)SnBi-0.1Cr、(c)SnBi-0.2Cr和(d)SnBi-0.3Cr焊料的背散射電?（BSE）微觀結(jié)構(gòu)圖像。
圖2.焊料中Cr含量與IMC厚度的函數(shù)關(guān)系。
進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的目的是評估Cr對焊點(diǎn)機(jī)械性能的影響。SnBi-xCr焊點(diǎn)（x1/40、0.1、0.2、0.3）的抗拉強(qiáng)度如圖3所示。如圖3直方圖所示，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度隨著Cr的添加而顯著增加，而SnBi-0.2的抗拉強(qiáng)度則顯著增加。Cr焊點(diǎn)為66MPa，是所有測試樣本中最高的值。然而，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度變化趨勢與焊板的抗拉強(qiáng)度變化趨勢并不一致。焊點(diǎn)的極限拉伸強(qiáng)度受IMC厚度和焊料的影響。
圖3.純焊點(diǎn)和復(fù)合焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度。
圖4 描繪了純焊料合金和復(fù)合焊料合金的蠕變深度。可以看出，整體復(fù)合焊料的蠕變性能在經(jīng)過處理后得到了一定程度的增強(qiáng)。當(dāng)樣品受到20mN的最大力時，SnBi?0.2Cr 和 SnBi?0.3Cr 的蠕變深度分別170.44和176.76nm，與SnBi焊料相比，分別實(shí)現(xiàn)了有效減少34%和31%（約257.90nm）。效果的改善是由于存在Bi枝晶分支，它可以阻止位錯并同時增強(qiáng)蠕變性能。另一方面，微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化也增強(qiáng)了復(fù)合焊料的蠕變性能。
圖4. 不同Cr含量在20mN下的蠕變性能。
與純SnBi焊料相比，SnBi-0.2Cr 焊料的微觀結(jié)構(gòu)明顯細(xì)化。此外，CrSn2 IMCs的形成消耗了Sn相并導(dǎo)致富Bi枝晶分支的出現(xiàn)。
抗拉強(qiáng)度顯示在拉伸測試期間SnBi-0.1Cr 焊料板增加了3%。然而，SnBi-0.2Cr 和 SnBi-0.3Cr 焊料板的延伸率分別增加了56%和53%。在焊料板的拉伸試驗(yàn)中，添加Cr會導(dǎo)致脆性斷裂模式向延性斷裂模式轉(zhuǎn)變。復(fù)合焊點(diǎn)中Cu6Sn5 IMC層的形貌從細(xì)長的扇貝狀變?yōu)檫B續(xù)的粗糙扇貝狀，并且Cu6Sn5 IMC層的厚度減少。因此，斷裂路徑從部分IMC層轉(zhuǎn)移到完全在焊料基體中，并且焊點(diǎn)的拉伸性能得到提升。SnBi-0.2Cr 焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度比純SnBi焊點(diǎn)提高了約10%。復(fù)合焊料的抗蠕變性能明顯增強(qiáng)。
Zhu, W.， Zhang， W.， Zhou， W.， & Wu， P. （2019）. Improved microstructure and mechanical properties for SnBi solder alloy by addition of Cr powders. Journal of Alloys and Compounds 789 (2019) 805-813.
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