SAC305-SiC復(fù)合焊料對(duì)金屬間化合物的影響

SAC305是一種很常見(jiàn)的中高溫焊料，經(jīng)常被用于二次回流焊接中。SAC305的導(dǎo)電性和焊接強(qiáng)度高，能夠滿足大部分微電子產(chǎn)品的使用要求。影響SAC305焊接強(qiáng)度的因素主要是金屬間化合物（IMCs）生長(zhǎng)。IMCs由于焊接時(shí)和老化過(guò)程中發(fā)生界面反應(yīng)而成核并生長(zhǎng)，其脆性可能會(huì)降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度。SiC是一種具有獨(dú)特的化學(xué)穩(wěn)定性和超高熔點(diǎn)的陶瓷材料，同時(shí)其具有優(yōu)秀的電學(xué)，機(jī)械和導(dǎo)熱性能。不少研究證明SiC顆粒可以細(xì)化β-Sn和IMCs從而起到焊點(diǎn)增強(qiáng)作用。

SAC305-SiC

Pal等人選擇將少量的SiC（1–3μm）和SAC305（20–24μm）合金粉末通過(guò)行星球磨工藝進(jìn)行混合并制備增強(qiáng)型焊料，焊料制備是在室溫下以200rpm轉(zhuǎn)速攪拌1小時(shí)。樣品被放置在銅基板上進(jìn)行回流并隨后在空氣中冷卻。SAC305-xSiC/Cu（x=0，0.5，1.0和1.5wt%）焊料樣品在爐中在533K下加熱30分鐘并后續(xù)進(jìn)行老化測(cè)試。通過(guò)觀察IMC生長(zhǎng)可以了解SiC對(duì)焊點(diǎn)的作用。

SiC的對(duì)IMCs的影響是什么？

l 圖1展示了不同SiC添加量對(duì)IMCs層的影響。可以發(fā)現(xiàn)普通SAC305焊料的IMCs層較厚。SAC305-SiC的IMCs層的厚度逐漸減少直到SiC顆粒添加量達(dá)到1.0wt.%。SAC305-1.0wt.%SiC復(fù)合焊料中Cu6Sn5和Cu3Sn的厚度分別降低了43.8%和39.6%。隨著SiC的進(jìn)一步增加，IMCs會(huì)輕微生長(zhǎng)。

圖1. SAC305-SiC焊料在413K老化100h后的IMC。(a)SiC=0; (b) SiC=1wt%; (c) SiC=1.5wt%。

l 銅原子通過(guò)各種通道的擴(kuò)散，并形成了η-Cu6Sn5晶粒。η-Cu6Sn5晶粒沉積在較大的IMC上，因?yàn)檩^小的顆粒具有較高的溶解度。隨著回流時(shí)間的增加，Cu6Sn5受到晶粒粗化的控制，最終堵塞了晶粒之間的通道。SiC顆粒由于高熔點(diǎn)而不會(huì)熔化，而是吸收在焊點(diǎn)本體中并且可以作為銅原子擴(kuò)散的障礙。

l 焊料（SAC305-1.0wt.%SiC/Cu）樣品在533K下回流30分鐘，并分別在413K，423K，433K和443 K下老化（25，50，75和100小時(shí)）。通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn)IMCs層的生長(zhǎng)隨著老化時(shí)間和溫度的增加而加快。在本研究中，Cu6Sn5和Cu3Sn層的厚度與老化時(shí)間的平方根呈線性關(guān)系。

圖2. SAC305-1.0wt%SiC在不同溫度老化溫度和時(shí)間的IMC生長(zhǎng)速度 （413K， 423K，433K，and 443K）。

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參考文獻(xiàn)

Pal, M.K., Gergely, G. & Gacsi, Z. (2023). Growth kinetics and IMCs layer analysis of SAC305 solder with the reinforcement of SiC during the isothermal aging condition. Journal of Materials Research and Technology, vol.24.