回流冷却与等温时效过程中Sn-35Bi-1Ag/Ni-P/Cu焊点组织演变

卢汉桥，李玉龙，余 啸，龙维峰，江建锋

(南昌大学 机电工程学院 江西省机器人与焊接自动化重点实验室，南昌 330031)

Sn-58Bi无铅焊料具有低熔点、低热膨胀系数、良好的抗蠕变性和润湿性等优点，被认为是极具希望的Sn-Pb焊料替代品之一[1]。然而，由于Bi材料脆的特性，Bi原子聚集对焊点力学性能会产生不良影响，可能会降低Sn-58Bi 焊点的抗拉强度和塑性[2-3]。为了改善钎料性能，常添加第三种元素来获得综合性能优越的无铅钎料，研究表明Sn-Bi合金添加1%(质量分数)的Ag能细化微观组织[4]。Sn-35Bi-1Ag具有优良的力学性能和润湿性[5]，而Bi含量较Sn-58Bi显著降低，其熔点虽有升高(183℃)，但与Sn-37Pb熔点极为接近，能很好地适应现有封装设备。

电子产品长期服役时，存在界面脆化、焊点可靠性降低甚至失效等问题，这主要是因为Cu/Sn反应过快，导致接头脆性相Cu-Sn金属间化合物(IMCs)过度生长。为抑制IMCs的过度生长，常在Cu，Sn之间引入中间层，在保证焊点良好冶金结合的同时，避免Cu，Sn直接过快反应，化学镀Ni-P作为良好的钎焊阻挡层应用已较为广泛。Yoon等[6]发现相比钎料/Cu的反应，Cu/Ni-P/Sn0.7Cu在相同条件下能得到厚度更小的IMCs，这是因为Ni/Sn反应较Cu/Sn慢得多。此外，随着无铅焊接温度升高与封装焊点精密化、微型化的发展，钎焊冷却速率对封装焊点可靠性与元件的影响越来越显著。冷速过慢延长了高温作用时间，一方面使焊点与元件热冲击损伤加剧，另一方面造成脆性金属间化合物过度生长，影响接头强度；冷却速率也并非越快越好，过大的冷速又会导致应力集中，出现元件破裂和PCB翘屈等缺陷[7]。……