Sn2Bi无铅焊料的研究
胡 丽1,曾 明1,沈保罗2
(1.西华大学材料科学与工程学院 四川成都 610039;2.四川大学材料科学与工程学院 四川成都 610065)
摘 要:通过总结传统Sn2Pb焊料的特点和研制无铅焊料的条件,综述Sn2Bi无铅焊料低熔点等优点以及脆性大、易偏析的缺点,分析添加In,Ag,Al,Sb等微量合金元素对Sn2Bi无铅焊料微观组织及性能的影响,提出了此合金系焊料的抗蠕变性、导电性、润湿性、拉伸性能等尚待完善的性能及可采用合金化、开发新型焊剂等新方法使Sn2Bi焊料成为理想的无铅焊料,为无铅焊料的进一步研究提供一定的参考。
关键词:Sn2Bi无铅焊料;合金元素;组织性能;合金化
中图分类号:TG425 文献标识码:A 文章编号:10042373X(2009)162164203
ResearchofSn2BiLead2freeSolder
HULi1,ZENGMing1,SHENBaoluo2
(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu,610039,China;2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu,610065,China)
Abstract:BysummarizingupthecharacteristicsofconventionalSn2Pbsolderandtheconditionsforthedevelopmentoflead2freesolder,overviewingtheadvantagessuchaslowmeltingpointanddisadvantagessuchashighbrittleness,easysegrega2tionofSn2Bilead2freesolder,andanalyzingtheeffectsoftracealloyingelementssuchasIn,Ag,Al,SbonthemicrostructureandpropertiesofSn2Bisolder.Theperformanceascreepresistance,conductibility,wetting,extensibilitywhichyettobeper2fectedofthissolderandthenewmethodssuchasalloying,exploitingnewfluxwhichcanbeusedsothatmakeSn2Bisolderbe2comeideallead2freesolderareputforward.Providingreferenceforfurtherstudyoflead2freesolder.
Keywords:Sn2Bilead2freeSolder;alloyingelements;microstructureandproperties;alloying
0 引 言
Sn2Bi和Sn2Sb等主要系列的无铅焊料,其熔点和主要
缺点比较如表1所示。
表1 无铅焊料的种类
种类
Sn2AgSn2CuSn2ZnSn2InSn2BiSn2Sb
长期以来,Sn237Pb共晶合金焊料,因具有成本低、
力学性能好、导电性强、工艺性好以及可焊性等优点而被广泛用于汽车业、电子工业等领域,已成为目前电子组装行业中主要的软钎焊材料[1]。但是,Sn2Pb焊料中的Pb是危害人类健康和环境的有害物质之一。随着绿色运动的兴起,人们越来越重视铅对人类和环境的影响。许多国家相继提出有关法律,禁止铅的使用,欧盟通过的电子电气设备废弃法令(WEEE)明确规定,自2006年7月1日起,电子电气产品必须实现无铅化[2,3]。因此,电子工业中迫切需要研制新的无铅焊料来代替传统的Sn2Pb焊料,这使得无铅焊料的研究开发成为国内外一个重要的课题。但目前为止,还未找到一种综合性能较好的无铅焊料替代品。
目前国际上对无铅焊料的定义为:以Sn为基,添加Ag,Cu,Sb,Zn和Bi等元素构成二元、三元甚至四元的共晶合金代替Sn237Pb焊料,要求铅的含量应小于0.1wt%[4]。目前已发展Sn2Ag,Sn2Cu,Sn2Zn,Sn2In,
收稿日期:2009202218
基金项目:四川省教育厅重点培养基金资助项目(07ZZ033)
成分
Sn23.5AgSn20.7CuSn29ZnSn251InSn258BiSn25Sb
熔点/℃
221227198117139234～240
主要缺点熔点和成本偏高熔点偏高润湿性差,易氧化耐热性差,成本高
耐热性差熔点偏高
研制开发替代传统Sn2Pb焊料无铅焊料的一般要求是:
(1)无毒性。合金及成分必须无毒,而镉,铊,汞是有毒的,排除在考虑范围之外。
(2)熔点。尽量使无铅焊料熔点接近锡铅焊料共),不应超过200℃,且熔程越小越好。晶温度(183℃
(3)较小的固液共存范围。最好在10°以内,保证
流动性。
(4)良好的润湿性。不低于锡铅焊料润湿性,以保证焊点的可靠性。
(5)良好的力学性能。抗拉强度,延伸率,抗疲劳
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《现代电子技术》2009年第16期总第303期
性能,抗蠕变性,稳定性等不得低于锡铅焊料。
(6)良好的物理性能。导电性好,导热性好,热膨胀系数等不得低于锡铅焊料。
(7)生产的可重复性,焊点的一致性,且焊点外观要美观。
(8)良好的耐腐蚀性。
(9)成本价格。最好不高于锡铅焊料,但是目前无铅焊料成本均比锡铅高,一般控制在其1.5～2倍左右。
(10)供应需求。In储备稀少,最好为添加成分。1 Sn2Bi无铅焊料合金的优缺点1.1 Sn2Bi焊料合金的优越性
)低于传Sn258Bi共晶合金焊料的熔点(熔点139℃),低熔点使其在分级封统的Sn237Pb焊料(熔点183℃ 新型元器件
步研究。
2 微量元素对Sn2Bi焊料组织和性能的影响
鉴于Sn2Bi合金的局限性,通常采用添加第三元素
减缓Bi的粗化,降低Bi的脆性,以改善合金性能。2.1 Ag对Sn2Bi焊料的影响
相关研究表明[10],在Sn2Bi焊料合金中加入熔点较高的Ag后,Sn2Bi合金组织中出现针状或颗粒状析出相Ag3Sn,并随Ag含量的增加而增多。当Ag含量在0.1%～1%时,Ag3Sn均匀分布于基体中,使组织细化,尤其是Ag含量为0.5%时,Ag的加入带来的细晶强化和形成Ag3Sn金属间化合物带来的弥散强化,以及β2Sn枝晶相的尺寸变小,提高了焊料合金强度;但当Ag含量大于1%时Ag3Sn开始局部偏聚并长大,导致
装中的外层封装和靠近对温度敏感的材料钎焊中有很大优势。不仅可以降低焊接材料间热膨胀不匹配引起的损害,还可以使一些不具有高温性能的电子元件和电路板得以使用,从而降低产品的成本。而且采用低温的Sn2Bi焊接层的键合封装工艺气密性较好,键合区合金均匀,无缝隙、气泡等脱焊区,键合过程中不需要用助焊剂,从而避免了由助焊剂带来的污染,能满足电子元器件和MEMS可动部件低温气密性封装的要求[5]。由相图可知Sn2Bi焊料可在139～232℃熔化温度范围内制成合金,
合金抗拉强度下降。另一方面,添加微量Ag可改善
Sn2Bi焊料的塑性和提高其热疲劳寿命,使焊料的剪切强度有所提高,这是因为金属间化合物Ag3Sn的形成细化了晶粒,增加了焊料的延展性。通过对Sn2Bi焊料/Cu焊缝界面组织进行SEM扫描分析表明Ag的加入对Sn2Bi2Ag焊料/Cu界面形态几乎无影响,但在焊缝组织中有细小的Ag3Sn相析出,且细化了焊缝的组织。Ag的原子半径比较小,在软钎料的熔化中加快向焊接母材的扩散速度,改善了润湿性能,提高钎料和母材的结合强度。Ag弥散分布于焊料合金中,使焊料合金的冲击强度提高。不同的是,Ag的添加对Sn2Bi焊料的熔点影响不大。2.2 Cu对Sn2Bi焊料的影响黄明亮等[11]通过分析添加少量Cu对Sn2Bi2Ag合金组织的影响,发现加Cu后合金的微观组织无明显变化,对合金硬度影响也较小,但降低了合金熔化温度(从
),提高了其剪切强度。209℃降到204℃
2.3 In对Sn2Bi焊料的影响
In的熔点较低,虽然不同百分含量的In对焊料合
且该合金不形成化合物,使基体中固溶大量的Bi,这是其他系列焊料合金所不具备的特征[6]。
Sn和Bi都是无毒性元素,因此Sn2Bi焊料是环境友好型合金,且Bi金属资源丰富,足够满足消费产品需要。
润湿性是钎焊焊点可靠性的基本条件。Sn2Bi合金在铜板上的润湿角比传统的Sn2Pb焊料大,但都小于45°,并且流动性好,所以Sn2Bi焊料在Cu基体上的润湿性较好。
Sn2Bi合金有良好的机械性能。研究表明[7],在室温
下,Sn2Bi焊料具有比Sn2Pb焊料更高的屈服强度和剪切
),强度比Sn2Pb焊料略低。强度,但是在高温下(110℃
室温下Sn2Bi焊料具有良好的热疲劳性能,而且具有比Sn2Pb焊料更好的拉伸强度和抗蠕变性[8,9]。
Sn2Bi焊料的成本比较低廉。鉴于这些优点,使得Sn2Bi焊料成为很有潜力的无铅焊料之一。1.2 Sn2Bi焊料合金的局限性
金熔化特性的影响不一样,但添加In后焊料合金的共晶温度和熔化温度都降低。有研究[12]表明在In质量分数为0.3%时焊料合金熔化温度为最低,当In质量分数为0.7%时共晶比例较高(共晶比例是指由于Bi的偏析所形成的共晶组织在焊料中的质量分数),说明Bi偏析比较大;In的添加量不同对焊料合金组织的影
由于Bi本身很脆,使得合金脆性大,延展性小。Bi在合金中易结晶形成粗大不规则的形状,特别是在长期高温工作时粗化更严重,导致合金塑性降低,甚至出现脆性破坏,从而严重影响焊接接头性能,因此细化晶粒降低合金的脆性,改善Sn2Bi合金的综合性能需要进一
响也不同,当In的质量分数为0.1%时,焊料合金组织中无大量偏析,且细小均匀,但此时合金的硬度最小,而添加0.7%的In时硬度值最大。2.4 Sb对Sn2Bi焊料的影响
当Sb添加量大于0.5%时,Sn2Bi焊料合金共晶比例和熔化温度随着Sb添加量的增大而逐渐增大。Sb
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元器件与应用胡 丽等:Sn2Bi无铅焊料的研究
同时,与现有的Sn2Ag2Cu焊料相比,添加合金元素形成Sn2Bi2X焊料降低了焊料成本和焊料的熔点。合金
元素使Sn2Bi系焊料固溶度升高,固溶强化作用提高了焊料的力学性能,并抑制了Bi的偏析。但是还存在一些问题,如Sn2Bi2X焊料铋含量大、不易从根本上抑制偏析和在凝固过程中对冷却速度依耐性大等,故Sn2Bi2X焊料还有很大的改善空间。另外,不能只局限于无铅焊料合金的研制,还要改进焊剂,开发与新型无铅焊料相匹配的焊剂,进一步开展新型无铅焊料焊接工艺、加工工艺的研究,进一步改善焊料性能,使此合金系焊料发展为理想的低温无铅焊料。
参 考 文 献
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元素固溶于基体中形成固溶体,固溶强化提高了合金的硬度,改善了润湿性。Sb弥散分布于Sn中增强了粘
度,可以改变Sn2Bi焊料的脆性,但添加Sb元素不能改善Bi的偏析,并且在晶界处形成网状共晶组织而出现粗大的Bi相,从而易引起“焊点剥离”。2.5 Al对Sn2Bi焊料的影响
李群等[13]通过分析Al对Sn2Bi合金组织及性能的影响,发现Al添加后均匀分布于基体焊料合金中,提高了焊料合金的拉伸强度。恒温时效实验表明微量Al的添加可有效减缓Bi相在时效过程中的粗化现象,当Al含量为0.3%、0.5%时组织相对稳定,粗化趋势小,并减缓了焊点接头界面IMC的生长。但铺展性实验表明随着Al含量的增加,焊料的铺展性变差,这可能是因为在焊接温度下有一部分Al在基体中呈单质颗粒形态存在,并且均匀分布,降低了Sn2Bi焊料合金的流动性能;另一方面,Al的密度与基体合金的密度相差较大,在焊接过程中存在上浮现象,易在表面形成一层氧化膜,阻止焊料的铺展,使焊料合金的润湿性降低。2.6 其他元素对Sn2Bi焊料的影响
Au因能防止氧化而成为涂层材料中常用的元素,当Au加入合金中时能溶解于焊料中,从而可提高焊点强度。另外,Sn2Bi焊料熔化温度随着Au的增加而增大。通过剪切实验表明,Au的添加大大提高了合金的塑性和焊料在Cu板上的粘合强度。
有研究表明[12]添加低熔点Ga可使亚共晶Sn2Bi焊料的共晶比例降低以获得较好的组织和性能。当添加0.5%的Ga时共晶组织呈粒状、分散均匀,并未成大块或连成网状,此时共晶比例及显微组织配合较好,但Ga在基体中的固溶强化和Bi过剩相的相互作用使合金硬度值不是最低;当Ga质量分数达到2%时,Bi偏析更为严重,说明Ga的添加量不宜过大。
添加微量稀土元素对合金熔化温度影响不大,但可提高合金润湿性,这可能是因为稀土元素是表面活性元素,在焊料合金中不以固溶体形式存在,而是附于IMC或晶粒表面或弥散沉积于焊料表面。稀土元素在焊料中形成稀土化合物使组织细化,提高了焊接接头的剪切强度。3 结 语
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作者简介 胡 丽 女,1983年出生,四川泸州人,硕士研究生。主要从事无铅焊料的蠕变性能研究。
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