Ag和Sb對Sn58Bi釬料組織的影響

馬一鳴，儲繼君，呂曉春，，孫鳳蓮

1.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

2.哈爾濱理工大學 黑龍江哈爾濱 150080

1 序言

目前，人們對電子產品的便攜性和多功能性需求日益增長，電子產品的小型化、多功能化和高可靠性要求在制造中采用更大尺寸的PCB板和更多的電子元件，然而隨著封裝密度不斷提高，焊點開裂、橋連及枕頭效應等缺陷問題一直困擾著電子制造產業，降低釬焊溫度成為解決失效問題尤其是枕頭缺陷的有效途徑。因此，研制釬焊溫度更低、焊接可靠性更高的無鉛釬料已成為在電子封裝領域亟待研究的課題。而Sn-Bi系釬料因其較低的熔點，有望替代Sn-Pb釬料，但其抗氧化性以及組織脆性等方面的不足制約了該釬料體系的應用[1，2]。

2 試驗材料及方法

采用感應熔煉方法制備了6種合金成分釬料，其化學成分見表1。

將熔煉的釬料用線切割制成薄片，經過磨削、清洗等措施去除釬料表面影響釬焊性能的物質。制取同質量的薄片在甘油中熔煉制備成φ650～φ750mm釬料球。選擇10.0mm×10.0mm×1.0mm的純銅片為試件，在180℃×30s條件下進行焊接。焊后對焊點剖面進行金相分析，并測量相含量及樹枝晶臂間距與共晶片層間距。

表1 釬料化學成分（質量分數） （%）

3 試驗結果及分析

（1）組織組成 Sn58Bi共晶釬料的金相形貌如圖1a所示，在空冷條件下，其組織為初生樹枝晶+等軸共晶，初生樹枝晶由β-Sn相與細小棒狀或點狀的Bi相組成，等軸共晶則呈片層狀共晶，分布于樹枝晶間且將樹枝晶分隔開。

Ag的添加使得釬料中生成Ag3Sn（見圖1b），其可橫跨初生樹枝晶與等軸晶，說明在結晶過程中，Ag3Sn是最先形成的，并可以作為其他相的形核質點。Sb的添加使得釬料中生成灰色點狀相（見圖1c），對其（A點）進行EDS分析可知，灰色點狀相應為Sb2Sn3[3]。Sb2Sn3分布于初生樹枝晶的β-Sn中且尺寸小于1mm，這應是在結晶前期，Sb在樹枝晶β-Sn中的固溶度較大，而隨著溫度的下降，Sb在β-Sn中的固溶度不斷下降，最終脫溶并生成Sb2Sn3二次相而造成的。微小的Sb2Sn3質點可以對樹枝晶起到彌散強化的作用。而對于添加Ag和Sb的釬料，Ag與Sb之間無新相形成，而是分別與Sn反應生成Ag3Sn與Sb2Sn3化合物（見圖1d）。

表2 A點EDS分析結果

圖1 釬料組織組成

（2）相含量 由于在空冷條件下釬料均形成亞共晶組織，因此分別對樹枝晶與等軸晶中的β-Sn相和Bi相含量進行測量（見表3）。與Sn58Bi釬料相比，當添加Ag時（見圖2a、圖2b），樹枝晶含量顯著減少，等軸晶中β-Sn/Bi相比值增大，降低了等軸晶的脆性。當添加Sb時，樹枝晶含量與β-Sn相總量顯著增加，而等軸晶中β-Sn/Bi相比值減小（見圖2a、圖2c），說明Sb是擴大β-Sn相區的元素，同時，由于在形成樹枝晶的過程中消耗掉了更多的Sn，故而造成了等軸晶中β-Sn含量的下降。

Ag與Sb共同添加時，則進一步促進了樹枝晶含量與β-Sn相總量的增加，且隨著Sb含量的增加，呈先上升后下降的趨勢（見圖2d～f）。Sb含量的增加，等軸晶中β-Sn相含量始終約為39%，說明Sb對等軸晶的相含量影響不大。

表3 添加Ag和Sb釬料的相含量（質量分數）（%）

圖2 釬料相含量形貌

（3）組織細化程度 減小樹枝晶臂間距與共晶間距，是提高釬料性能及使用性能的重要途徑[4]。因此，選擇一次樹枝晶臂間距λ1、二次樹枝晶臂間距λ2與共晶片層間距λE作為Ag、Sb對組織的細化程度評價指標（見圖3）。測量時選取多個平行度較好的樹枝晶或共晶片層為一組，計算其平均間距[5]。

由于添加1%Ag使得樹枝晶幾乎消失，故組織細化程度受枝晶臂間距影響較小，因此，Ag元素可使組織細化（見圖4a、圖4b），而1%Sb的添加可顯著細化等軸晶與樹枝晶（見圖4a、圖4c），這與俞波[6]研究結果相似。

圖3 釬料樹枝晶臂間距及共晶片層間距

對于共同添加Ag和Sb的釬料，當Sb含量（質量分數）達到1%～1.5%時，λ1減小、λ2與λE均增大，由其樹枝晶窄小密集的形貌可知（見圖4d～f），Sb促進了樹枝晶的形核，造成λ1的減小；而當Sb含量達到2%時，由其樹枝晶形貌變為粗大可知，Sb元素抑制了樹枝晶的形核，使得λ1增大，此時λ2與λE的大小與Sn58Bi相當。

圖4 釬料組織細化形貌

4 結束語

1）Sn58Bi中添加Ag和Sb使得釬料中生成針狀Ag3Sn與細小點狀的Sb2Sn3化合物。

2）添加Ag和Sb可提高釬料中的樹枝晶含量及β-Sn相總量，但因樹枝晶的增加，造成等軸晶中β-Sn相含量的減小。

3）添加Ag或Sb均可細化組織，但Ag、Sb共同添加時，會使組織粗化。