电子组装用无铅钎料的研究现状及发展趋势

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　　摘 要：本文综述了近年来国内外无铅钎料的研究开发现状及部分无铅钎料的应用情况。重点介绍了国内外SnAgCu合金系无铅钎料技术的发展现状，分析其特点、优势以及目前存在的问题。
　　关键词：无铅钎料;SnAgCu合金系;现状
　　随着人民环保意识不断提高，对电子产品无铅化已经成为必然，此外，由于传统的SnPb钎料合金其蠕变性能差，致使焊点过早出现失效，不能电子产品的可靠性要求。因此，关于新型高性能无铅钎料技术的研究，不仅可以尽快实现电子产品无铅化需求，也是电子封装技术不断发展的要求，对于电子产品无铅化进程、保护生态环境具有积极意义。
　　1 无铅钎料的研究现状
　　随着微电子封装技术不断提高，焊点尺寸也趋微小化。焊点需要承担较重的电学、力学、热学负荷，也进一步提高了钎焊焊点的性能要求。在无铅钎料替代锡铅钎料的研究方面，相关技术人员做大量研究，发现了Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等较有潜力的钎料合金系。其中Sn-Zn系无铅钎料因其低廉的成本、广泛的原材料来源、熔点和Sn-Pb共晶钎料接近等优势，可以在现有生产设备基础上不做太大的调整，就可实现无铅化生产要求。另一方面，共晶Sn-Zn无铅钎料和Sn-Pb钎料二者对比，其焊点不仅具有较好抗剪强度的优势，同时，也具有明显的电迁移效应优势。在室温条件下，比Sn-Pb抗疲劳性能更好。[1]但时，因为Zn的存在，使得Sn-Zn系无铅钎料润湿性差、抗氧化性能差、耐腐蚀性能弱，从而制约了Sn-Zn系无铅钎料在微电子行业中的广泛应用。向Sn-Zn合金钎料中添加合金元素可有效改善其性能，添加合金元素可以改善钎料的润湿性能，同时有利于提高钎料的抗氧化性能和抗腐蚀性能。通过适量Ag添加，熔融钎料的抗氧化性得到提高，进一步降低钎料表面Zn氧化，进而提高钎焊接头的力学性能和钎料的润湿性，在研究中也发现，通过增加Ag含量，进一步增加钎料的铺展面积。如果Ag的质量分数超过1.5%时，会进一步提高钎料熔点。在同等实验环境中，又会了降低钎料的润湿面积。Sn-Cu系钎料同Sn-Pb比较可以发现，其具有良好延伸率优势，但抗拉强度却偏低。这也反映出Sn-Cu系钎料质地较软，具有明显的延展性优势。另一方面，因为Sn-Cu系钎料具有熔点较高的特点，如果超过250℃钎焊温度在工业生中实现存在一定难度，因此，其多用于单面基板波峰焊加工。Sn-Cu系钎料仍存在一系列问题：由于Sn-Cu钎料流动性较差，熔融钎料因为不易从焊点间隙分离出来，常易出现焊点桥连，导致短路;在进行波峰焊作业时，电器元件表面的Cu易扩散到钎料槽，致使大量消耗Cu又降低了焊点的力学性能。再者，如果大量Cu扩散到钎料槽中，又会在槽中产生Cu6Sn5化合物，钎料的密度比产生的化合物密度低，化合物在槽底又导致钎料更换频率增加，进一步导致生产成本上升。
　　2 钎料的发展趋势
　　相关的研究表明，通过将Cu添加到Sn-Ag合金系，不仅可以较好的保证Sn-Ag合金系性能，同时可以使其熔点降低约3℃～4℃，同时，还可以降低电产子品焊接过程中Cu的溶蚀。因此，现在大量的研究也证实了Sn-Ag-Cu钎料的熔点较低（217～221℃），不仅具有良好的焊接性能，其优异的机械性能和物理性能也被学者和科研人员所认可，是最有可能替代SnPb合金的无铅钎料。AbhijitKar等人研究了Cu/Sn3.5Ag0.5Cu钎焊接头组织对接头机械性能和导电性的影响，并与Cu/Sn37Pb钎焊接头进行对比。研究结果表明：Cu/Sn3.5Ag0.5Cu钎焊接头有Cu3Sn和Cu6Sn5生成，Cu/Sn37Pb钎焊接头有Cu6Sn5生成，前者的抗剪强度和导电性均优于后者，这是由于熔体过热，Sn是钎焊过程中主要的扩散元素，无铅钎焊接头金属间化合物（IMC）层较薄，此外，Ag的添加也使得钎焊接头的导电性进一步提高。通过添加混合稀土元素到Sn基无铅钎料，也在很大程度上使在钎料各方面的性能得到很大改善。陈志刚，史耀武[2]等通过稀土含量对SnAgCu钎料合金的试验发现，添加微量的La、Ce混合稀土（RE）元素的作用十分明显，不仅可以不影响SnAgCu钎料原有的优良物理性能和钎焊工艺性能，同时，因为稀土的冶金作用，又可以使得SnAgCu合金的抗蠕变性能及可靠性得到提高，而且钎料成本增加很少。為了进一步改善SnAgCuRE钎料合金的润湿性，抗拉强度和延伸率，张柯柯等人在Sn-2.5Ag-0.7Cu-0.1Re钎料合金的基础，研究Ni含量对该钎料合金机械性能和蠕变性能的影响。研究结果表明：添加005wt%的Ni时，该合金系钎料延伸率高于普通商用Sn-38Ag-0.7Cu钎料合金，此外，钎焊接头的蠕变性能显著提高。ANUPAMCHOUBEY等人研究了等温时效后的无铅钎焊接头IMC的特点，由于IMC是脆性相，IMC厚度较小时，钎焊接头具有较好的可靠性，研究表明，浸金下无电镀镍（ENIG）涂层可以降低IMC厚度，提高钎焊接头的可焊性。随着IMC的出现，在Cu基体和钎料的界面处观察到一些微观空洞，当受到冲击载荷时，微观空洞会影响钎焊接头的可靠性。
　　Sn-Ag-Cu系钎料是国际上目前公认的无铅钎料首选材料，然而，该合金系的熔点是217℃，比SnPb钎料的183℃高34℃。虽然零部件的耐高温氧化研究也在不断进展，但仍有一些零部件不能承受高温，因此，研发新型高性能无铅钎料，满足无铅电子产品生产的需要，仍是一个亟待解决的问题。
　　3 结语
　　在无铅钎料技术的发展和研究中，我国与发达国家相比，仍有一定的差距，我国科研机构和相关科技企业需要充分重视其技术的发展与研究，否则在未来的国际市场竞争中会陷入被动局面。同时我们也应该看到，无铅钎料的研究，是一项系统工程，随着电子技术的快速发展，无铅钎料的研究成果也必然会提高国内企业产品加工能力，增加企业在市场中的竞争力，促进企业经济效益得到提升。
　　参考文献：
　　[1]顾永莲，杨邦朝.电子焊料的无铅化及可靠性问题[J].功能材料，2005（4）：490-494.
　　[2]史耀武，雷永平，夏志东，等.电子组装用SnAgCu系无铅钎料合金与性能[J].有色金属，2005，57（3）：8-15.
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