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SAC305合金以相對(duì)較高的熔點(diǎn)而被認(rèn)為是無(wú)鉛焊料的重要金屬成分。SAC305焊料制備的焊點(diǎn)在受到熱循環(huán)和機(jī)械應(yīng)力時(shí)能保持良好的狀態(tài)，因此在不少行業(yè)如汽車和航空行業(yè)有著巨大用途。然而焊點(diǎn)會(huì)隨著溫度和外力影響而出現(xiàn)可靠性減弱的問(wèn)題。有研究表明含有Ni，Bi，In和Sb的微合金焊點(diǎn)表現(xiàn)出改善的機(jī)械特性，如更高的剪切和拉伸強(qiáng)度，以及老化后的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
老化對(duì)焊點(diǎn)的可靠性帶來(lái)的影響是顯而易見(jiàn)的。一般在幾個(gè)月的老化過(guò)程中，焊點(diǎn)的強(qiáng)度會(huì)大幅度下降。由于Bi對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此Belhadi等人(2023)在SAC305焊料中加入了Bi，并觀察SAC焊點(diǎn)在老化和剪切作用下的力學(xué)性能演變以確定Bi的作用。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，PCB測(cè)試板尺寸為30 mm×30 mm，焊盤之間間距為3mm且焊盤是OSP表面處理。通過(guò)植球工藝將三種不同的焊料球（SAC305，SAC-3Bi和SAC-6Bi）回流焊接在焊盤上。剪切應(yīng)變速率為0.008，0.8和8s-1，老化溫度為150℃。
圖1. PCB測(cè)試板（左）和回流曲線（右）。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖2展示了在0.8s-1剪切應(yīng)變速率下，每種未老化焊料的平均極限剪切強(qiáng)度（USS）和Bi濃度的關(guān)系。與SAC305合金相比，SAC-6Bi的極限剪切強(qiáng)度最高。SAC-3Bi和SAC-6Bi的極限剪切強(qiáng)度比SAC305分別增加了122%和127%。剪切強(qiáng)度的增加是由與Ag和Bi的存在產(chǎn)生了固溶硬化和沉淀硬化作用。
圖2. 剪切應(yīng)變速率0.8s-1時(shí)不同焊料的極限剪切強(qiáng)度。
三種焊料合金的極限剪切強(qiáng)度都隨著剪切應(yīng)變率的增加而增加，其中含Bi的SAC焊料極限剪切強(qiáng)度仍優(yōu)于普通SAC305。極限剪切強(qiáng)度增加的原因是焊料合金的粘塑性。焊料粘塑性指的是受應(yīng)變率影響的焊料隨時(shí)間變化的塑性變形。在較高的應(yīng)變率下，焊料的粘塑性特征更加明顯，使得焊點(diǎn)有更多的塑性變形和更高的極限剪切強(qiáng)度。
圖3. 不同剪切應(yīng)變速率時(shí)的焊料極限剪切強(qiáng)度。
老化會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度帶來(lái)明顯的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)老化時(shí)間增加時(shí)，含有更多Bi的焊料會(huì)出現(xiàn)更大幅度的剪切強(qiáng)度減小。老化100小時(shí)后，剪切強(qiáng)度最高的焊料是SAC-6Bi，其次是SAC-3Bi。老化1000h后， SAC305 極限剪切強(qiáng)度下降了 26%。 SAC-Bi 焊料極限剪切強(qiáng)度值退化較高，其中SAC-6Bi 強(qiáng)度下降最明顯，降低了約57%。
圖4.老化后焊料極限剪切強(qiáng)度（剪切應(yīng)變速率0.8s-1）。
由于Bi在Sn中的溶解度低，當(dāng)Bi 含量超過(guò)在 Sn 基體中的溶解度極限，含有Bi的焊料在老化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)Bi的沉淀。而Bi的沉淀會(huì)造成焊點(diǎn)脆性問(wèn)題，并使焊點(diǎn)在應(yīng)變作用下發(fā)生脆性斷裂。對(duì)于SAC-3Bi焊點(diǎn)， 老化1000小時(shí)后，由于Bi在150℃下的溶解度極限增加，部分Bi仍能溶解在固溶體中，焊點(diǎn)脆化程度較低。然而，由于SAC-6Bi焊點(diǎn)含有更多的Bi，老化后焊點(diǎn)脆化程度更高，因此剪切強(qiáng)度明顯下降。
參考文獻(xiàn)
Belhadi, M.E.A., Hamasha, S. & Alahmer, A (2023). Effect of Bi content and aging on solder joint shear properties considering strain rate. Microelectronics Reliability, vol.146.
