纳米铜对SnBi焊料的可焊性和微观结构影响-深圳福英达
纳米铜对SnBi焊料的可焊性和微观结构影响-深圳福英达
随着无铅焊料的发展，SnAgCu和SnBi焊料成为了传统锡铅焊料的主要替代品，适用于不同的封装场景。共晶SnBi58焊料因其低熔点（139℃）和低成本，在工业上尤其是低温焊接领域得到了广泛应用。然而，SnBi焊料的脆性限制了其在高可靠性封装领域的应用。因此，抑制SnBi焊料的脆性、提高其机械性能具有重要意义。
细化焊料微观结构是提高焊料质量的有效方法之一。考虑到整个封装的热膨胀系数（TCE）不匹配，在焊接过程中提高冷却速度并不是细化SnBi焊料的可行方法。因此，添加纳米元素颗粒被认为是细化焊点焊料微观结构的有效途径。
在锡基无铅焊料中，铜是一种常见的添加元素。在回流焊过程中，Cu与熔融Sn形成Cu6Sn5金属间化合物。然而，固液反应可能会影响铜纳米颗粒在混合焊膏中的分布，并导致焊料的润湿性降低。此外，增加焊料中铜的含量可能会降低焊料和焊盘之间的铜扩散速率。
为了研究添加纳米铜对SnBi焊料的可焊性影响，Liu等人通过模板印刷方法将焊膏印刷到具有 Cu‑OSP 表面处理的 FR‑4 板上以及不润湿基板上，使用典型焊接工艺进行焊接。将焊料粉末与纳米Cu颗粒通过机械混合方法混合30分钟。混合焊膏中纳米Cu的浓度分别为0、0.5、1、2和3wt%。
实验结果
SnBi‑纳米铜焊膏的可焊性
图1显示了 SnBi 共晶焊膏和 SnBi‑3nano Cu 焊膏的 DSC 曲线。从图中可以看出，两种焊膏显示出相似的 DSC 曲线。两种类型的固相线温度均约为136℃，但液相线温度略有差异。
图1.SnBi和SnBi-纳米铜锡膏的DSC曲线。
润湿性
焊膏的润湿性由铺展率 SR 评估，其表达式为：
SR=（D-H)/D*100
其中 D 是焊膏的等效直径，可通过在非润湿基板上回流焊测量。H 是焊膏润湿到铜基板后焊点的高度。根据铺展率方程，SR 值越高，说明焊膏的润湿性越好。如图 2 所示，SnBi焊膏的 SR 值约为 82%。而SnBi-nano Cu焊膏的 SR 值都在 70-72 % 左右。这表明在SnBi焊膏中添加纳米铜会导致铜基板润湿性下降。
图2. 不同含量的纳米铜焊膏的铺展率。
SnBi‑纳米Cu/Cu的微观焊点结构
图3显示了SnBi-nano Cu/Cu焊点中焊料块的微观结构。如图3 a、b 所示，SnBi/Cu 焊膏中焊料体的微观结构主要以富Sn和富Bi相为基础。随着纳米铜在锡铋焊膏中的添加量达到 0.5 和 1 wt%，焊料体的微观结构出现了细化趋势，如图3 a、c、d 所示。在加热过程中形成固体Cu6Sn5金属间化合物颗粒，并增加冷却过程中形成的Bi晶粒和SnBi共晶相的成核点。适当的纳米铜添加有利于焊料块的晶粒细化。然而，随着纳米铜的添加量增加到 2-3 wt%，晶粒细化受到了限制。
图3. SnBi‑纳米 Cu/Cu 焊点焊料块的微观结构：a、b SnBi/Cu； c SnBi‑0.5 wt%纳米铜；d SnBi‑1wt%纳米铜；e SnBi‑2wt%纳米铜；f SnBi‑3wt%纳米铜。
参考文献
Liu, Y., Zhang, H., & Sun, F. (2015). Solderability of SnBi-nano Cu solder pastes and microstructure of the solder joints. Materials in Electronics, 27(3), 2235–2241.
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