纳米级SAC305锡膏和微波混合加热的前景-深圳福英达
纳米级SAC305锡膏和微波混合加热的前景-深圳福英达
SAC305作为取代有铅焊料的替代品已经在市面上广泛使用。SAC305的可靠性一直是业界关注的问题。可以知道SnAgCu焊料和基板之间金属间化合物（IMC）层的形成是显著影响焊点可靠性的关键因素。减少IMC层形成的手段有在回流焊接期间采用快速加热和缩短保持时间。此外，有研究发现利用微波能量可以实现比回流焊接更快速和均匀的加热，这种技术称为微波混合加热技术（MHH）。与传统的回流焊相比，使用MHH技术生产的焊点表现出更高的强度和更好的耐腐蚀性。另外，为了应对一些低温焊接需求，采用纳米级焊料会是替代传统低温焊料的一种选择。因此，纳米级SAC305焊料也受到了关注。
纳米SAC305焊料制备和焊接实验
Zhang等人采用化学还原法合成SAC305纳米颗粒。首先，称取Sn源（SnSO4），Ag源（AgNO3），Cu源（CuSO4·5H2O）作为前体并称取反应溶剂C4H10O3和表面活性剂。然后通过磁力搅拌器将材料混合。混合后使用水和无水乙醇分别洗涤数次并使用高速离心机进行离心，并去除上清液。将洗涤剂添加到沉淀物中，超声处理并混合，并重复离心，直到离心后溶液澄清。洗涤后，将获得的纳米颗粒放置在25°C下真空干燥得到最终产物。最后将研磨的纳米颗粒与ALPHA OM338PT助焊剂以6:1的比例搅拌获得焊料。
Zhang等人通过钢网印刷将纳米锡膏涂在去除了氧化膜的Cu上，并将Cu放置在紧密的模具中。实验部件按隔热体，石墨腔和基座的顺序堆叠在微波炉中。通过改变暴露时间进行焊接，并在焊接完成后将空气冷却至室温。
图1. MHH流程示意图。
实验结果
表面活性剂对纳米颗粒粒径的影响
如图2所示，用不同表面活性剂含量制备的SAC305纳米颗粒的尺寸分布会有所不同。当PVP表面活性剂用量较少的时候，SAC304纳米颗粒的平均粒径较大。增加表面活性剂用量到0.9g后，SAC304纳米颗粒平均粒径最小（77.42nm），此时表面活性剂与纳米颗粒的质量比为90%。随着进一步增加表面活性剂用量，颗粒粒径分布基本趋于稳定。这是因于表面活性剂的适当增加可以降低表面张力并促进了颗粒分离。表面活性剂通过与原子配位形成稳定的络合物，有效地包覆纳米颗粒并防止聚集。
图2. 不同表面活性剂用量对纳米颗粒粒径分布的影响。(a)0.15g; (b)0.3g; (c)0.6g；(d)0.96g；(e)1.2g。
MHH对焊点强度的影响
对于MHH工艺，在165 s的暴露时间下，纳米SAC305锡膏制成的焊点的剪切强度为27.0 MPa。随着暴露时间的增加，焊点的抗剪强度先增大后减小。当暴露时间达到195s时，剪切强度为最大值44.8MPa。进一步增加暴露时间反而对剪切强度有不利影响。此外，MHH工艺能使焊点有着较好的热冲击可靠性。在1200次热冲击循环后，剪切强度降低了24.4%，且断裂模式仍为韧性断裂。
图3. SAC305纳米锡膏剪切强度和热冲击次数的关系。
参考文献
Zhang, S., Zhang, S.Y., Zhou, H.Z., Paik, K.W., Ding, T.R., Long, W.M., Zhong, S.J. & He, P. (2023).Preparation and characterization of Sn-3.0Ag-0.5Cu nano-solder paste and assessment of the reliability of joints fabricated by microwave hybrid heating. Materials Characterization, vol.207.
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