新型无铅焊料的制备及无铅/有铅混焊可靠性研究

摘要

出于保护环境和保护人类自身健康的要求，电子产品的无铅化已经是一个不可逆转的大趋势。Sn-Ag-Bi焊料合金具有较低的熔点，较高的润湿性和力学性能，已成为最有潜力的无铅焊料合金之一。然而，Sn-Ag-Bi焊料易形成粗大的组织，并且与基底金属反应过于激烈，导致焊接性能劣化。如何细化Sn-Ag-Bi焊料组织结构，降低焊料与基底金属反应速度就成为Sn-Ag-Bi焊料大规模应用的关键。 本论文通过向Sn-Ag-Bi中加入不同含量Cr，首次获得了一种新型无铅焊料合金：Sn-Ag-Bi-xCr无铅焊料。与Sn-Ag-Bi焊料相比，该合金在不影响焊料熔点的条件下，可使焊料的抗氧化性和润湿性得到一定提高，并使熔点范围变窄，从而提高焊接的工艺性能，此外，添加Cr还可以细化焊料组织，大幅度降低Sn-Ag-Bi-xCr/Cu界面金属间化合物生长速度，从而提高焊接可靠性。 电子产品的无铅化主要是指电路板、焊料和器件引脚的“三无铅”。虽然国内大部分电子产品已经实现了无铅生产，但是在军事、航空航天、汽车等需要的高可靠性电子产品的行业，目前还不能完全实现“三无铅”，因此，如何解决无铅/有铅混焊可靠性问题具有重要的应用价值。 本论文在对目前器件引脚成分进行深入调研的基础上，对纯Sn引脚焊层和Sn37Pb焊料的无铅/有铅混焊及可靠性进行了研究。研究发现：无论小尺寸还是大尺寸样品，手工焊接还是回流焊接，当焊层为纯Sn时，由于焊接时在引脚与有铅焊料之间总会存在一个无铅或低铅区域，从而导致该区域熔点将会升高，铺展能力和润湿能力降低。当焊接温度较低时，混焊的焊点内气泡等缺陷较多，抗拉强度波动大，可靠性低。当焊接温度提高到390℃后，焊接界面金属间化合物层和焊料组织变化较小，焊接缺陷明显减少，混焊焊点抗拉强度总体较高，波动较小。经过可靠性试验验证，提高焊接温度后，混焊焊点具有较高的可靠性。该研究为无铅/有铅混焊及可靠性提供了理论和工艺指导。