文章编号：1004-0609(2012)05-1407-06

RE对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点性能的影响

王要利，张柯柯，乔新贺，钱娜娜，潘  红，吕  杰，吕昆育，阮月飞

(河南科技大学 材料科学与工程学院，洛阳 471003)

摘  要：利用X射线衍射分析仪(XRD)和JSM-5610LV扫描电镜(SEM)研究RE含量对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点界面区显微组织、剪切强度和蠕变断裂寿命的影响。结果表明：Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点界面区金属间化合物由靠近钎料侧Cu₆Sn₅和靠近Cu基板侧Cu₃Sn构成；添加微量RE可细化Sn2.5Ag0.7Cu焊点内钎料合金的显微组织和改善钎焊接头界面区金属间化合物的几何尺寸及形态；当RE添加量为0.1%时，焊点的剪切强度最高，蠕变断裂寿命最长。

关键词：Sn2.5Ag0.7CuxRE/Cu焊点；显微组织；剪切强度；蠕变断裂寿命

中图分类号：TG42　　     文献标志码：A

Effects of RE on properties of Sn2.5Ag0.7Cu/Cu solder joints

WANG Yao-li, ZHANG Ke-ke, QIAO Xin-he, QIAN Na-na, PAN Hong, L? Jie, L? Kun-yu, RUAN Yue-fei

(College of Material Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Abstract: The effects of rare earth (RE) on the microstructure, shear strength and creep rupture life of the Sn2.5Ag0.7Cu/Cu solder joints were investigated by X-ray diffractometry, JSM-5610LV scanning electronic microscopy. The results show that the intermetallic compound (IMC) interfacial layer of soldered joints between Sn2.5Ag0.7CuxRE lead-free solder and copper substrate usually includes two parts of Cu₆Sn₅ near the solder alloy, and Cu₃Sn nearside the Cu substrate. Adding tiny RE in Sn2.5Ag0.7Cu lead-free solder alloy can refine the microstructure of the solder joints and affect the size and configuration of the IMC of interfacial layer. When the RE adding content of Sn2.5Ag0.7Cu solder alloy is 0.1% in mass fraction, the shear strength of the solder joint is the highest and its creep rupture life is the longest.

Key words: Sn2.5Ag0.7CuxRE/Cu solder joints; microstructure; shear strength; creep rupture life

随着电子产品向小型化、轻量化和多功能化的发展及人们环保意识的增强，开发出可以替代SnPb钎料且具有更高性能尤其是更高润湿性能、力学性能的无铅钎料已成为微电子连接用钎料研究的热点之   一^[1-4]。研究表明，在众多的无铅钎料中，SnAgCu系钎料合金已成为SnPb钎料最有潜力的替代品之    一^[5-7]。目前其研究主要有两个发展趋势：一是向共晶点附近的SnAgCu钎料合金中添加其他合金元素，改善其力学性能和润湿性能^[7-11]；文献[8-11]研究指出在Sn3.8Ag0.7Cu中加入适量的Bi、In、Co、Zn等元素，发现钎料的力学性能及润湿性能得到改善，同时焊点组织得到细化，金属间化合物的厚度降低，焊点可靠性提高。二是为降低制造成本，通过向SnAgCu系钎料合金中添加活性元素以降低Ag含量，并同时满足表面组装(SMT)的使用要求^[3,5]；文献[12-13]通过计算机模拟的方法构建和分析RE对低银SnAgCu钎料焊点力学、润湿等性能的影响。文献[14-16]研究低银钎料合金的物理性能，力学性能及润湿特性。为此，本文作者研究RE添加量对低银Sn2.5Ag0.7Cu钎焊焊点显微组织、剪切强度和蠕变断裂寿命的影响，同时对焊点的剪切断口和蠕变断口进行分析，预期对焊点可靠性预测、高可靠性软钎焊材料尤其是当前环保型无铅钎料的开发有着一定的理论和实用价值。

1  实验

1.1  试验材料

试验的原材料采用纯度为99.9%的Sn、Ag、Cu及富Ce和La的混合稀土。在真空度为5×10^-3 Pa的非自耗电炉ZHW-600A中制备Cu-RE中间合金及Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金，在相同条件下采用适量中间合金与Sn、Ag、Cu一起制备试验所需Sn2.5Ag0.7CuxRE钎料合金。采用IRIS Intrepid全谱直读等离子体发射光谱仪测定添加RE后钎料合金中RE残留量。

1.2  试验方法

蠕变试样的母材为0.1 mm的紫Cu箔，钎缝厚度为0.1 mm，钎焊接头的搭接面积为1 mm²，采用微型焊点来模拟SMT焊点实际受力情况及印刷电路板钎焊接头的尺寸与冷却条件。为了保证蠕变试验中微型单搭接接头尺寸的一致性，设计并制作了专用铝合金模具。在相同试验条件下取10~12个试样的平均值作为该钎料在该试验条件下的蠕变断裂寿命。

剪切强度试样尺寸如图1所示，剪切强度在AG I-250 kN万能试验机上以1 mm/min的速率(每种成分不低于3个试样)测量钎焊焊点的剪切强度。

采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀钎料合金及钎焊焊点，并在JSM-5610LV扫描电镜上观察焊点的显微组织并进行必要的成分分析。

2  结果与讨论

2.1  焊点界面区IMC的显微结构

图2所示为Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu焊点界面区的XRD谱。由图2可知，Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎焊焊点界面区的金属间化合物主要由靠近钎料一侧厚度不均匀的脆硬Cu₆Sn₅相和靠近基体Cu一侧的Cu₃Sn相两部分组成^[1-6]。图3(a)所示为界面区金属间化合物的截面形貌。由图3(a)可知，钎焊后钎料合金界面区靠近钎料合金侧的Cu₆Sn₅金属间化合物呈扇贝状分布，厚度为2~3 μm。图3(b)所示为Cu₆Sn₅金属间化合物的切面形貌。由图3(b)可以看出，该区有许多圆形或抛物面形的金属间化合物小颗粒组成，大多数的颗粒周围都有5~7个颗粒紧挨着，通过能谱分析所得摩尔分数推测及文献[3, 5-6]可知，这些颗粒为Cu₆Sn₅金属间化合物，且在Cu₆Sn₅金属间化合物颗粒之间存在较深的沟槽，在三点交合处沟槽最深。这可能是由于初生相β-Sn在扩散过程中与基板扩散过来的Cu元素发生反应生成Cu₆Sn₅金属间化合物，从而形成了显微的Kirkendall孔洞^[3]。

图1  钎焊焊点试样

Fig. 1  Test specimen of solder joint: (a) Specimen before soldering; (b) Test sample of solder joint

图2  Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu焊点界面区的XRD谱

Fig. 2  XRD pattern of Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu solder joints interface

图3  Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE焊点界面IMC显微结构

Fig. 3  Microstructures of Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE solder joint interface: (a) Cu₆Sn₅ cross-section; (b) Cu₆Sn₅ section

2.2  RE对焊点显微组织的影响

图4所示为Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点显微组织的SEM像。由图4(a)可知，Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金钎焊接头界面层IMC厚度为2~30 μm，Cu₆Sn₅“锲”入钎基体内部，且其厚度很不均匀^[17-18]；而钎料合金的组织主要由初生相β-Sn和共晶组织构成，共晶组织主要包含颗粒状的β-Sn+Cu₆Sn₅和针状的β-Sn+Ag₃Sn二元共晶组织以及β-Sn+Cu₆Sn₅+Ag₃Sn三元共晶组织。由图4(b)可知，SnAgCu0.1RE钎焊接头的金属间化合物总厚度为2~3 μm，界面区Cu₆Sn₅的厚度较薄；同时焊点内的共晶组织与初生相β-Sn更加细小、均匀。由图4(c)可知，当RE添加量为0.5%时，由于RE富集而形成花瓣状RE化合物^[15-16]，在液态时该RE化合物相易产生氧化渣，而降低钎料的润湿能力，焊接后在焊点内部易形成焊接缺陷。

图4  Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点的SEM像

Fig. 4  SEM images of Sn2.5Ag0.7CuxRE solder joints:    (a) SnAgCu; (b) SnAgCu0.1RE; (c) SnAgCu0.5RE

文献[3-5]研究表明：RE与Sn的活度相互作用系数负值很大，即形成RE-Sn化合物的趋势也很大，即RE在SnAgCu体系中具有明显的亲Sn现象，导致Sn的活性下降。因此，在SnAgCu中加入微量的RE，可减少钎焊过程中Sn与其它元素结合的驱动力，而抑制界面区金属间化合物的生长和细化焊点内部钎料合金的显微组织。

2.2  RE对焊点剪切强度的影响

RE含量对Sn2.5Ag0.7Cu钎料钎焊接头剪切强度的影响如图5所示。由图5可以看出，随着RE含量增加，钎焊接头的剪切强度也增加，在RE添加量为0.1%时其剪切强度达到最大，为35.7 MPa；RE含量进一步增加时，钎焊接头的剪切强度减小。这可能是由于过量RE形成的RE化合物易造成焊接接头中存在气孔等缺陷^[15-16]，降低实际承载面积所至。

图6所示为SnAgCu0.1RE焊点剪切断口的SEM像。由图6可知，添加0.1%RE的Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金焊点剪切断口韧性断裂特征明显，断口韧窝的数量较多，且在断口表面有更细小的圆形小颗粒存在，这可能是由于钎料合金中作为第二相分散存在的金属间化合物Cu₆Sn₅或Ag₃Sn发生自身断裂或与基体分离从而形成韧窝表面细小的圆形颗粒^[7]。

图5  RE对Sn2.5Ag0.7Cu焊点剪切强度的影响

Fig. 5  Effect of RE on shear strength of solder joint

图6  SnAgCu0.1RE焊点剪切断口的SEM像

Fig. 6  SEM image of shear fracture of SnAgCu0.1RE solder joint

2.3  RE对焊点蠕变断裂寿命的影响

微量RE对Sn2.5Ag0.7CuxRE钎料合金焊点蠕变断裂寿命的影响如图7所示。由图7可知，随RE添加量增加，焊点蠕变断裂寿命呈“山”型的变化规律。当RE添加量为0.1%时，焊点蠕变断裂寿命最长为   5 760 min，为Sn2.5Ag0.7Cu无铅焊点蠕变断裂寿命的8.4倍。在RE添加量为0.5%时，其蠕变断裂寿命与未添加RE的Sn2.5Ag0.7Cu钎焊接头蠕变断裂寿命相当。因此，RE添加量存在一最佳值，为0.1%。

图7  RE含量对钎焊接头蠕变寿命的影响

Fig. 7  Effect of RE on creep rupture life of solder joint

图8所示为Sn2.5Ag0.7CuxRE钎料合金钎焊接头的蠕变断口形貌。由图8可知，Sn2.5Ag0.7Cu钎焊接头的断口特征为穿晶和沿晶相结合的断裂方式，韧窝被拉长较小，其蠕变断裂寿命相对较低；当RE添加量为0.1%时，断口中韧窝明显被拉长，为典型的穿晶断口特征，蠕变断裂寿命相对较长(见图8(b))；当RE添加量为0.5%时，断口中韧窝数量少且小，沿晶断裂特征较为明显，同时在Sn2.5Ag0.7Cu0.5RE钎焊接头中能观察到气孔的存在，这将影响钎焊接头的蠕变断裂寿命。

3  结论

1) Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点界面区金属间化合物由靠近钎料侧Cu₆Sn₅和靠近Cu基板侧Cu₃Sn构成；界面区Cu₆Sn₅的截面形貌呈扇贝状，Cu₆Sn₅的切面形貌呈圆形或椭圆形。

图8  Sn2.5Ag0.7CuxRE钎焊接头蠕变断口形貌

Fig. 8  Creep fracture morphologies of Sn2.5Ag0.7CuxRE solder joint: (a) SnAgCu; (b) SnAgCu0.1RE; (c) SnAgCu0.5RE

2) 添加微量RE可细化Sn2.5Ag0.7Cu焊点内钎料合金的显微组织，改变钎焊接头界面区金属间化合物的几何尺寸和形态；当RE添加量为0.1%时，Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点的剪切强度最高，蠕变断裂寿命最长。

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(编辑 何学锋)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50774029)；河南省高校创新人才基金资助项目(教高2004-294)；河南省杰出青年科学基金资助项目(074100510011)；河南科技大学生训练计划资助项目(SRTD2011215)

收稿日期：2011-03-01；修订日期：2011-09-07

通信作者：王要利，讲师；电话：13949241298; E-mail: wangyaoli001@163.com